Włókna szklane i węglowe – wytrzymałość i zastosowanie

W motoryzacji najczęściej stosowanymi materiałami do zbrojenia są włókna szklane i węglowe. Potocznie nazywa się je kompozytami. Mają one świetne parametry wytrzymałościowe i mały ciężar właściwy, wynikający z samej budowy tych materiałów. Poniżej o ich zastosowaniu w produkcji hulajnóg i samochodów.

Co to są włókna węglowe Co to są włókna szklane
Szklane, czy węglowe Włókna w rowerach i hulajnogach

Kompozyty są luksusem

Elementy kompozytowe są o około 40 proc. lżejsze od takich samych elementów aluminiowych, ale czynnikiem decydującym o małym zastosowaniu tych materiałów jest jego kosztowność. Bowiem koszt związany z wytworzeniem jednego elementu, może być wyższy do kilkudziesięciu razy od kosztu wytworzenia elementów metalowych. Ponadto chcąc przejść na produkcję części z włókien szklanych i węglowych, koncerny samochodowe musiałyby stworzyć całe parki technologiczne. Oprócz tego do stworzenia konstrukcji kompozytowych potrzebne jest wyspecjalizowane oprogramowanie i doświadczony zespół.

Upowszechnienie kompozytów na pewno będzie wymagało trochę czasu, bo trzeba przyspieszyć technologię wytwarzania włókien węglowych oraz elementów kompozytowych. Póki co możemy spodziewać się nadwozi multimateriałowych w samochodach produkowanych masowo, z kolei w przypadku hulajnóg tylko pojedyncze elementy konstrukcji wykonane są z kompozytu.

Co to jest włókno węglowe?

Włókno węglowe (karbonizowane) to kompozyt powstający w wyniku kontrolowanej pirolizy poliakrylonitrylu i innych polimerów organicznych. Składa się niemalże wyłącznie z rozciągniętych struktur węglowych podobnych chemicznie do grafitu. Jego struktura nadaje mu dużą wytrzymałość, dlatego jest nietopliwe i odporne chemicznie. Warto dodać, ze włókno węglowe jest do 5 razy sztywniejsze niż aluminium lub stal.

włókno węglowe
Włókno węglowe

Gdzie stosuje się włókno węglowe?

Włókno węglowe stosowane tam gdzie wymagane jest uzyskanie wysokiej wytrzymałości i małego ciężaru. Dlatego przemysł energetyczny wykorzystuje je do produkcji w przemyśle lotniczym do wytwarzania śmigieł i komponentów wzmacniających strukturę kadłuba i skrzydeł, w produkcji jachtów (stery) mieczy, masztów. Oczywiście włókno nieprzecenione jest w przemyśle sportowym (hulajnogi, rowery, podeszwy obuwia, wędki), jak i również w niektórych samochodach.

W 1981 r. włókno węglowe zadebiutowało w bolidzie F1 McLarena. Producent ten był również pionierem wśród aut drogowych, tworząc później model nazwany na cześć bolidu McLaren F1. Jednak samochodem, w którym na największą skalę zastosowano kompozyty węglowe, był sportowy Lexus LFA (65 procent struktury nadwozia). Dzięki temu udało się uzyskać masę pojazdu o 100 kg mniejszą, niż w przypadku zastosowania struktury metalowej.

Przykładowo Lamborghini Aventador i McLaren P1 mają nadwozie wykonane właśnie z włókien węglowych (monokok), które jest przed wszystkim lżejsze od nadwozia aluminiowego. Również firma Koenigsegg wykorzystująca włókna węglowe do produkcji nadwozi swoich samochodów i niedawno zaczęła produkcję felg. Zaś Audi używa kompozytów w modelu R8 do produkcji wlotów powietrza do silnika, zaś nadwozie Audi R8 wykonane jest w 13 proc. z kompozytów węglowych, które mają za zadanie ochronę kierowcy w przypadku kolizji.

Jak wytrzymałe jest włókno węglowe?

Włókno węglowe jest bardzo wytrzymałe, o czym świadczą testy na YouTube (źródło). Przykładowo przedmiot wykonany z włókna węglowego o tej samej grubości co aluminiowy, będzie o 30 % sztywniejszy i jednocześnie o około 50% lżejszy i 60% wytrzymalszy od aluminiowego. Ponadto uznaje się, że włókno węglowe jest materiałem 5-cio krotnie wytrzymalszym niż stal.

Zobacz też:
Ranking Elektryków (nowe okno) Ranking e-hulajnóg (nowe okno)

Co to jest włókno szklane?

Włókno szklane jest chemiczne otrzymywane ze szkła wodnego i czasami też ze stopionego szkła. Podczas procesu wytłaczania, szkło wtłaczane jest w otwory o niewielkiej średnicy. Powstałe włókienka stopionego szkła mają temperaturę ok 1200°C i są chłodzone za pomocą wody. Prędkość i dokładność obrotowa maszyny chwytającej włókna jest na tyle duża, że pochwycone włókna mają średnicę równą jedną dziesiątą grubości ludzkiego włosa. Utworzoną nić, mechaniczne przewijarki przeciągają przez aplikator, który pokrywa włókna chemiczną powłoką.

włókna szklane
Włókno szklane

Gdzie stosuje się włókno szklane?

Włókno szklane wykorzystywane jest w różnych dziedzinach, a głównie w branży budowlanej, jako materiał izolacyjny. Używa się go również do wykańczania wnętrz oraz w formie dekoracji (tapety, okleiny). Odporność materiału na
działanie ognia i czynników chemicznych sprawia, że z polimerów wzmacnianych włóknami szklanymi wykonywane są pojemniki magazynowe, pompy i filtry, wanny galwaniczne, wszelkie rodzaje rur, czy zbiorniki na paliwo.

Z kolei z żywic poliestrowych i epoksydowych z włóknem szklanym, produkowane są nadwozia ciężarówek, autobusów oraz samochodów osobowych, a ponadto drążki skrętne, zderzaki i kontenery chłodniowe. Elementy wzmacniane włókami szklanymi znalazły też zastosowanie w sporcie i rekreacji, a dobrym przykładem są tyczki sportowe, których rolą jest zakumulowanie energii, a następnie jej wyzwolenie.

Włókna szklane stosowane są do produkcji elementów poszyć nadwozi samochodowych. Elementy wykonane z tych kompozytów sprawdzają się w przypadku poszerzeń nadkoli lub do produkcji zderzaków. Często używa się go również do naprawy karoserii w samochodzie, w przypadku skorodowanego podwozia czy progów. 

Jak wytrzymałe jest włókno szklane?

Liniowy układ włókien szklanych sprawia, że materiał ten charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na rozciąganie na poziomie do 1000 N/mm2. Ponadto żywica użyta w procesie pultruzji (przeciąganie włókna) dodatkowo przyczynia się do odporności na korozję i dyfuzję. Dlatego możemy być pewni skuteczności włókna w otulinie betonowej zbrojenia, nawet w przypadku narażenia na sól czy wilgoć, co nie było możliwe w przypadku stalowych prętów.

Zauważa się też, ze włókna szklane charakteryzują się wysokimi wartościami modułu sprężystości. Ich cenną zaletą jest też bardzo dobra zwilżalność przez polimery, a więc możliwość powstawania mocnego połączenia na granicach międzyfazowych polimer/szkło. 

Włókna szklane, czy włókna węglowe?

  Gę-
stość

[g/cm3]
Średnica
[μm]

Poro-
wa
tość
[cm3/g]

Temp.
topnie –
nia, [oC]
Węglowe 1,6 – 2,0 8 0,05 – 0,1 3600
Szklane 2,5 – 2,6 10 – 15 0,005 – 0,01 700 – 900

Jak widać powyżej (źródło) główną zaletą włókien węglowych jest ich niższa gęstość oraz mniejszy współczynnik rozszerzalności cieplnej. Jeżeli chodzi o cenę, to ma ona istotny wpływ na powszechne stosowanie włókien. Przykładowo kilogram włókien szklanych kosztuje obecnie 10 zł, zaś włókna węglowe są aż dziesięciokrotnie droższe.

To, czy wybrać włókna węglowe, czy szklane zależy oczywiście od ich przeznaczenia. Ważną rolę w wyborze
spełnia ich gęstość, dlatego tam, gdzie zaletą ma być mały ciężar, stosować należy włókna węglowe. Zaś włókna szklane dominują w materiałach kompozytowych, bo od nich wymaga się mniejszych modułów sprężystości przy relatywnie niskiej cenie. 

Rodzaj włókna ma również znaczenie, bowiem puste przestrzenie pomiędzy warstwami włókna, stanowią o jego wytrzymałości. Im jest ich więcej, tym mniejsza będzie wytrzymałość i odporność wytworzonego materiału. 

Włókna w hulajnogach i rowerach

Dlaczego skutery elektryczne z włókna węglowego i szklanego są dobre?Hulajnoga elektryczna wykonana z włókien nie ulega korozji, degradacji i nie rdzewieje. Oznacza to, że ma znacznie dłuższy cykl użytkowania. Oczywiście chodzi też o jej wagę, bo lekka hulajnoga będzie idealna do codziennego użytku i jest tym, co zawsze możesz mieć przy sobie.

W przypadku hulajnóg, często stosuje się połączenie włókna węglowego i aluminium, dzięki czemu cena nie jest wygórowana, a waga pojazdu nadal nie jest wysoka. Takie połączenie materiałów bywa atrakcyjne w przypadku hulajnóg wyczynowych, gdzie wytrzymałość i lekkość są priorytetem.

Za sprawą coraz bardziej przystępnej ceny, w latach 90-tych ubiegłego wieku, karbon zaczął być stosowany w przemyśle rowerowym. W tej chwili tworzy się z niego nie tylko ramy, ale też obręcze, kierownice, przerzutek i sztyce. W przypadku rowerów, rama z włókna węglowego znacznie zmniejsza masę pojazdu w porównaniu do konstrukcji z tworzyw metalicznych. Jednak, co najważniejsze, zachowana jest wytrzymałość roweru.

Zobacz też:
Dopłaty do samochodów elektrycznych
Samochód hybryda, plug-in, czy elektryk?

Najbardziej popularną metodą wytwarzania ram z włókna węglowego jest technologia “skorupowa”, która sprawia, że rama jest praktycznie uszyta na miarę. Wykonana jest z jednego elementu i wytwarzana jest w specjalnej formie w której następnie jest wypiekana. Niestety taki sposób produkcji jest dość kosztowny, gdyż dla każdego rozmiaru potrzeba oddzielną bardzo droga formę.