Ahoj všichni, narazil jsem na zajímavý článek zde na Drive 2, tak jsem se rozhodl, že si ho zkopíruji pro sebe, myslím, že mnozí budou mít zájem si ho přečíst, protože oni sami jsou obvykle velmi „Google-y“))))
Díky za článek, říkáme rules26, na blogu má spoustu zajímavostí)
Dnes vám pomůžeme pochopit jeden z nejzajímavějších materiálů 21. století. Začněme vojenskými technologiemi a skončeme tuningem.
Uhlíkové vlákno je materiál skládající se z tenkých vláken o průměru 3 až 15 mikronů, tvořených především atomy uhlíku. Atomy uhlíku jsou uspořádány do mikroskopických krystalů zarovnaných navzájem rovnoběžně. Uspořádání krystalů dává vláknu větší pevnost v tahu. Uhlíková vlákna se vyznačují vysokou pevností v tahu, nízkou měrnou hmotností, nízkým koeficientem tepelné roztažnosti a chemickou inertností.
Uhlíkové vlákno je základem pro výrobu uhlíkových plastů (nebo uhlíku, uhlíkových plastů, z „karbonu“, „karbonu“ – uhlíku). Plasty vyztužené uhlíkovými vlákny jsou polymerní kompozitní materiály vyrobené z propletených pramenů uhlíkových vláken umístěných v matrici polymerních (obvykle epoxidových) pryskyřic.
Uhlíkové kompozitní materiály se vyznačují vysokou pevností, tuhostí a nízkou hmotností, často pevnější než ocel, ale mnohem lehčí.
Co je uhlík?
Slovo „karbon“ je jakýmsi odborným žargonem, přesněji zkratkou anglického Carbon Fiber (uhlíkové vlákno), pod jehož záštitou se v obecném chápání sjednotilo obrovské množství různých materiálů. Přibližně tisíce různých látek s různými fyzikálními, chemickými a technickými vlastnostmi se nazývají „plasty“. V případě karbonu je společným materiálem pro materiály výplň z uhlíkových vláken, nikoli však pojivo, které se může lišit. I polyetylenová fólie s napájenými uhlíkovými nitěmi může právem nést toto hrdé jméno. Jednoduše zatím neexistuje žádná zavedená klasifikace plastů vyztužených uhlíkovými vlákny.
Většina moderních materiálů používaných v technice a zejména v automobilovém průmyslu se podle podobného scénáře dostává k běžnému spotřebiteli. Inovace se objevují ve vědeckých laboratořích, obvykle pro potřeby obranného průmyslu. Poté, co splnili čestnou povinnost chránit vlast, prošli sportem a v důsledku toho se naladili na montážní linku. To se stalo v případě uhlíkových materiálů.
Jaké je použití uhlíkových vláken?
Pronikání uhlíkových vláken do designu „přístrojů“ laděných nadšenci dostává v posledních letech lavinový charakter. Kromě toho jsou uhlíková vlákna stále častěji zmiňována v popisech sériových vozidel. Tento materiál, který má vojensko-kosmické a sportovní zázemí, je stále oblíbenější. Pevnost a lehkost materiálů oceňují automobiloví designéři již dlouho, zhruba od 50. let minulého století. Dnešní pokroky ve výrobní technologii zvyšují pokušení používat více kompozitů v nových konstrukcích. Pro majitele vozu jsou takové detaily cenné nejen pro dekorativní design karbonové tkaniny a fascinující „iridiscenci“ světla odráženého vlákny, ale také pro zbývající auru exkluzivity. Ze strany výrobce je nabídka karbonových prvků v povrchové úpravě ukazatelem technologického „pokročilosti“ společnosti.
Krátký kurz historie.
Aniž bychom porušovali zavedené tradice, po „službě v armádě“ se uhlíková vlákna „ujala“ sportu. Lyžaři, cyklisté, veslaři, hokejisté a mnoho dalších sportovců ocení lehké a odolné vybavení. V motoristickém sportu začala éra uhlíku v roce 1976. Nejprve se na vozech McLaren objevily jednotlivé díly z výstředního černě duhového materiálu a v roce 1981 vstoupil na trať McLaren MP4 s monokokem vyrobeným výhradně z uhlíkového kompozitu. Kvalitativního rozvoje se tak dočkal nápad hlavního konstruktéra týmu Lotus Colina Chapmana, který v 1960. letech vytvořil nosný základ závodní karoserie. Jenže v té době byl nový materiál pro technologa motorsportu ještě neznámý, a tak nezničitelnou kapsli pro McLaren vyrobila americká společnost Hercules Aerospace, která má zkušenosti s vývojem vojenského vesmíru. Nyní mají téměř všechny přední týmy Formule 1 vlastní zařízení na výrobu karbonových monokoků, ramen zavěšení kol, křídel, spoilerů, sedadel pilotů, volantů a dokonce i brzdových kotoučů.
Co je CARBON nebo uhlíkové vlákno?
Uhlíkové vlákno se skládá z mnoha jemných uhlíkových vláken. Pevnost závitů v tahu, srovnatelná s pevností legované oceli, s hmotností menší než u hliníku, určuje vysoké mechanické vlastnosti uhlíkových vláken. Zajímavé je, že nejběžnější technologie výroby takto odolného materiálu je založena na metodě „uhelnatění“ vláken, jejichž výchozí vlastnosti jsou blízké vlně. Originální bílý polymer se záludným názvem polyakrylonitril je podroben několika cyklům ohřevu v prostředí inertních plynů. Za prvé, vlivem vysoké teploty (asi 260 C) se na molekulární úrovni změní vnitřní struktura látky. Poté při vyšších teplotách (asi 700 C) atomy uhlíku „vylučují“ vodík. Po několika „smaženích“ je vodík zcela odstraněn. Nyní jsou síly, které ji držely, zaměřeny na posílení vazeb mezi zbývajícími prvky. Materiál už vlnu nepřipomíná, ale jeho pevnost má k ideálu stále daleko. A proces zvaný grafitizace pokračuje. Opakované zahřívání až do 1300 C „čistí“ zčernalé vlákno od dusíku. Toho posledního se nelze úplně zbavit, ale jeho množství se snižuje. Každý „krok“ zvyšuje obsah atomů uhlíku v látce a jejich vazba se upevňuje. Mechanismus tuhnutí je stejný jako při „vytlačování“ vodíku. Nejodolnější výrobky procházejí několika stupni grafitizace při teplotách do 3000 C a označují se zkratkou UHM.
Proč tak drahé?
Vysoká spotřeba energie je hlavním důvodem vysokých nákladů na uhlíková vlákna. To je však více než kompenzováno působivým výsledkem. Ani se mi nechce věřit, že to všechno začalo „jemným a nadýchaným“ materiálem obsaženým v docela prozaických věcech a známým nejen zaměstnancům chemických laboratoří. Bílá vlákna – tzv. kopolymery polyakrylonitrilu – jsou široce používána v textilním průmyslu. Jsou součástí šatů, obleků a pletenin, koberců, plachet, čalounění a filtračních materiálů. Jinými slovy, kopolymery polyakrylonitrilu jsou přítomny všude tam, kde je na doprovodném štítku zmíněno akrylové vlákno. Některé z nich „slouží“ jako plasty. Nejběžnější z nich je ABS plast. Ukazuje se tedy, že uhlík má mnoho „bratranců“.
Karbonové vlákno má působivou pevnost v tahu, ale jeho schopnost „zasáhnout“ při ohybu je oslabena. Proto je pro stejnou pevnost výrobků vhodnější použít tkaninu. Vlákna uspořádaná v určitém pořadí si navzájem „pomáhají“ vyrovnat se se zátěží. Jednosměrné pásky tuto výhodu nemají. Zadáním různých orientací vrstev je však možné dosáhnout požadované pevnosti v požadovaném směru, výrazně ušetřit na hmotě dílce a zbytečně nezpevňovat nedůležitá místa.
Co je uhlíková tkanina?
Uložit do alba
prostý
Pro výrobu karbonových dílů se používají jak jednoduché karbonové vlákno s náhodně umístěnými závity, které vyplňují celý objem materiálu, tak tkanina (Carbon Fabric). Existují desítky druhů tkaní. Nejběžnější jsou Plain, Twill, Satin. Někdy je tkaní podmíněné – stuha podélně umístěných vláken je „uchopena“ řídkými příčnými stehy, aby se nerozpadla.
Hustota tkaniny neboli měrná hmotnost, vyjádřená v g/m2, závisí kromě typu tkaní na tloušťce vlákna, která je dána počtem uhlíkových vláken. Tato charakteristika je násobkem tisíce. Takže zkratka 1K znamená tisíc vláken ve vláknu. Nejčastěji používanými látkami v motorsportu a tuningu jsou plátnová a keprová vazba o hustotě 150–600 g/m2, s tloušťkami vláken 1K, 2.5K, 3K, 6K, 12K a 24K. Tkanina 12K je také široce používána ve vojenských výrobcích (trupy a hlavy balistických střel, listy rotorů vrtulníků a ponorek atd.), To znamená, že části jsou vystaveny obrovskému zatížení.
Uložit do alba
satén
Je tam barevný uhlík? Je tam žlutý uhlík?
Od výrobců tuningových dílů a v důsledku toho i od zákazníků můžete často slyšet o „stříbrném“ nebo „barevném“ karbonu. “Stříbrná” nebo “hliníková” barva je pouze barva nebo kovový povlak na skleněném vláknu. A je nevhodné nazývat takový materiál uhlíkem – jde o sklolaminát. Je potěšující, že se v této oblasti stále objevují nové nápady, ale vlastnosti skla se s uhlíkovým uhlím nedají srovnávat. Barevné látky se nejčastěji vyrábí z kevlaru. I když někteří výrobci používají sklolaminát i zde; Existují dokonce barvená viskóza a polyethylen. Při snaze ušetřit nahrazením kevlaru zmíněnými polymerovými nitěmi se přilnavost takového produktu k pryskyřicím zhoršuje. O nějaké trvanlivosti výrobků s takovými látkami nemůže být řeč.
Všimněte si, že Kevlar, Nomex a Tvaron jsou patentované americké značky polymerů. Jejich vědecký název je „aramidy“. Jde o příbuzné silonek a silonek. Rusko má své vlastní analogy – SVM, Rusar, Terlon SB a Armos. Ale jak se často stává, nejvíce „propagovaný“ název – „Kevlar“ – se stal pojmem pro všechny materiály.
Uložit do alba
kepr 2/2
Co je Kevlar a jaké jsou jeho vlastnosti?
Z hlediska hmotnosti, pevnosti a teplotních vlastností je Kevlar horší než uhlíková vlákna. Schopnost kevlaru odolat ohybovému zatížení je výrazně vyšší. Právě proto je spojen vznik hybridních tkanin, ve kterých jsou uhlík a kevlar obsaženy přibližně stejně. Díly s karbon-aramidovými vlákny vnímají elastickou deformaci lépe než karbonové výrobky. Mají však i nevýhody. Karbon-kevlarový kompozit je méně odolný. Navíc je těžší a „bojí se“ vody. Aramidová vlákna mají tendenci absorbovat vlhkost, což má vliv jak na ně samotné, tak na většinu pryskyřic. Nejde jen o to, že „epoxid“ se postupně ničí roztokem vody a soli na chemické úrovni. Ohřev a chlazení a v zimě obecně zamrzání, voda mechanicky uvolňuje materiál dílu zevnitř. A ještě dva komentáře. Kevlar při vystavení ultrafialovému světlu degraduje a lisovaný materiál v pryskyřici ztrácí některé ze svých úžasných vlastností. Vysoká odolnost proti roztržení a proříznutí se vyznačuje kevlarovou tkaninou pouze ve své „suché“ formě. Proto aramidy vykazují své nejlepší vlastnosti v jiných oblastech. Rohože vyrobené z několika vrstev těchto materiálů jsou hlavním komponentem pro výrobu lehkých neprůstřelných vesty a dalšího bezpečnostního vybavení. Kevlarové nitě se používají k tkaní tenkých a pevných lodních lan, výrobě kordů v pneumatikách a jejich použití v hnacích řemenech strojů a bezpečnostních pásech v autech.
Je možné pokrýt díl uhlíkovými vlákny?
Neodolatelná touha mít ve svém voze černo-černé nebo černo-barevné kostkované díly vedla k tomu, že se objevili výstřední náhradníci z uhlíkových vláken. Tuningové dílny pokrývají dřevěné a plastové vnitřní panely karbonovou tkaninou a plní je nesčetnými vrstvami laku s broušením mezi nimi. Každý díl vyžaduje kilogramy materiálů a spoustu pracovního času. Člověk může obdivovat dřinu mistrů, ale tato cesta nikam nevede. „Šperky“ vyrobené touto technikou někdy nevydrží změny teplot. Postupem času se objeví pavučina trhlin a části se oddělí. Nové díly se kvůli velké tloušťce vrstvy laku jen nerady vejdou na svá původní místa.
Neber si to osobně, kdo hledá, najde! Autor netvrdí, že má konečnou pravdu.
Jak se vyrábí uhlíkové a/nebo kompozitní produkty?
Technologie výroby REAL uhlíkových produktů je založena na vlastnostech použitých pryskyřic. Existuje velké množství sloučenin, jak se pryskyřice správně říká. Polyesterové a epoxidové pryskyřice tuhnoucí za studena jsou mezi výrobci sklolaminátových karoserií nejrozšířenější, ale nejsou schopny plně odhalit všechny výhody uhlíkových vláken. Především kvůli slabé síle těchto pojivových sloučenin. Pokud k tomu přidáme špatnou odolnost vůči zvýšeným teplotám a ultrafialovým paprskům, pak jsou vyhlídky na používání většiny běžných značek velmi pochybné. Karbonová kapota vyrobená z takových materiálů stihne během jednoho horkého letního měsíce zežloutnout a ztratit svůj tvar. Mimochodem, „horké“ pryskyřice nemají rády ultrafialové záření, proto by z důvodu bezpečnosti měly být díly potaženy alespoň průhledným automobilovým lakem.
Směsi vytvrzované za studena.
„Studené“ technologie pro malosériovou výrobu méně kritických dílů neumožňují vývoj, protože mají také další vážné nevýhody. Vakuové metody výroby kompozitů (pryskyřice se přivádí do uzavřené matrice, ze které se odsává vzduch) vyžadují zdlouhavou přípravu zařízení. K tomu připočtěme míchání pryskyřičných složek, které „zabije“ spoustu času, což také nepřispívá k produktivitě. Tohle je Rusko, klid Způsob nástřiku nasekaných vláken do matrice neumožňuje použití tkanin. Ve skutečnosti je vše totožné s výrobou sklolaminátu. Jen místo skla se používá uhlí. I ten nejvíce automatizovaný z procesů, který také umožňuje práci s vysokoteplotními pryskyřicemi (způsob navíjení), je vhodný pro úzký seznam dílů s uzavřeným průřezem a vyžaduje vybavení.
Teplem vytvrzované epoxidové pryskyřice jsou pevnější, což umožňuje plně odhalit vlastnosti uhlíku. U některých „horkých“ pryskyřic začíná polymerační mechanismus při „pokojové“ teplotě velmi pomalu. Na tom je založena tzv. technologie prepreg, která spočívá v nanášení hotové pryskyřice na uhlíkovou tkaninu nebo uhlíkové vlákno dlouho před procesem formování. Připravené materiály prostě čekají v křídlech ve skladech.
V závislosti na značce pryskyřice trvá doba tekutého stavu obvykle několik hodin až několik týdnů. Pro prodloužení doby zpracovatelnosti se připravené prepregy někdy skladují v chladničkách. Některé značky pryskyřic „žijí“ roky v hotové podobě. Před přidáním tvrdidla se pryskyřice zahřejí na 50–60 C, poté se po smíchání nanášejí na tkaninu pomocí speciálního zařízení. Poté se látka podloží plastovou fólií, sroluje a ochladí na 20–25 C. V této podobě bude materiál skladován velmi dlouho. Navíc ochlazená pryskyřice zasychá a na povrchu látky se stává prakticky neviditelnou. Přímo při výrobě dílu se zahřáté pojivo stává tekutým jako voda, díky čemuž se rozteče, vyplní celý objem pracovní formy a urychlí se proces polymerace.
Směsi vytvrzované za tepla.
Existuje velké množství „horkých“ sloučenin, z nichž každá má své vlastní režimy teploty a doby vytvrzování. Obvykle platí, že čím vyšší je údaj teploměru požadovaný během procesu formování, tím pevnější a odolnější vůči teplu je hotový výrobek. Na základě možností dostupného zařízení a požadovaných vlastností konečného produktu můžete nejen vybrat vhodné pryskyřice, ale také je vyrobit na zakázku. Někteří domácí výrobci tuto službu nabízejí. Samozřejmě ne zadarmo.
Prepregy jsou ideální pro výrobu uhlíku v autoklávech. Před naložením do pracovní komory se potřebné množství materiálu pečlivě vloží do matrice a přikryje vakuovým sáčkem na speciálních distančních podložkách. Správné umístění všech komponentů je velmi důležité, jinak se nevyhnete nechtěným záhybům vytvořeným pod tlakem. Později již nebude možné chybu opravit. Pokud by byla příprava prováděna s tekutým pojivem, stala by se skutečnou zkouškou pro nervový systém pracovníků s nejasnými vyhlídkami na úspěch operace.
Procesy probíhající uvnitř instalace jsou jednoduché. Vysoká teplota roztaví pojivo a „zapne“ polymeraci, vakuový sáček odstraní vzduch a přebytečnou pryskyřici a zvýšený tlak v komoře přitlačí všechny vrstvy tkaniny k matrici. A všechno se děje ve stejnou dobu.
Na jednu stranu to má určité výhody. Síla takového uhlíkového vlákna je téměř maximální, předměty nejsložitějšího tvaru jsou vyrobeny v jednom „sedě“. Samotné matrice nejsou monumentální, protože tlak je distribuován rovnoměrně ve všech směrech a nenarušuje geometrii zařízení. Což znamená rychlou přípravu nových projektů. Na druhé straně zahřátí na několik set stupňů a tlak, někdy dosahující 20 atm., činí z autoklávu velmi nákladnou konstrukci. Ceny zařízení se v závislosti na rozměrech pohybují od několika set tisíc až po několik milionů dolarů. K tomu připočtěme nemilosrdnou spotřebu elektrické energie a složitost výrobního cyklu. Výsledkem jsou vysoké výrobní náklady. Existují však dražší a složitější technologie, jejichž výsledky jsou ještě působivější. Kompozitní materiály uhlík-uhlík (CCM) v brzdových kotoučích na vozech Formule 1 a v tryskách raketových motorů odolávají enormnímu zatížení při provozních teplotách dosahujících 3000 C. Tento typ uhlíku se vyrábí grafitizací termosetové pryskyřice, která je impregnována stlačeným uhlíkovým vláknem prázdný. Operace je poněkud podobná samotné výrobě uhlíkových vláken, pouze k ní dochází při tlaku 100 atmosfér. Ano, velké sporty a vojensko-kosmický sektor jsou schopny konzumovat unikátní předměty za přemrštěné ceny. Pro tuning a zejména pro sériovou výrobu je takový poměr „cena-kvalita“ nepřijatelný.
Pokud se najde řešení, vypadá to tak jednoduše, že si říkáte: „Co vám bránilo myslet na to dříve?“ Nápad oddělit procesy probíhající v autoklávu však vznikl po letech výzkumu. Tak se objevila a začala nabírat na síle technologie, díky níž bylo formování uhlíku za tepla podobné lisování. Prepreg se připravuje ve formě sendviče. Po nanesení pryskyřice se látka pokryje z obou stran buď polyetylenem, nebo tepelně odolnější fólií. „Sendvič“ prochází mezi dvěma hřídelemi přitlačenými k sobě. Zároveň se odstraňuje přebytečná pryskyřice a nežádoucí vzduch, podobně jako při odstřeďování prádla v pračkách v 1960. letech. Prepreg je vtlačen do matrice razníkem, který je upevněn závitovými spoji. Dále je celá konstrukce umístěna do topné skříně.
Uložit do alba
kepr 4/4
Tuningové společnosti vyrábějí matrice ze stejných uhlíkových vláken a dokonce i odolných značek alabastru. Sádrové pracovní formy jsou však krátkodobé, ale jsou docela schopné vyrobit několik produktů. „Pokročilejší“ matrice jsou vyrobeny z kovu a někdy jsou vybaveny vestavěnými topnými články. Jsou optimální pro hromadnou výrobu. Mimochodem, metoda je vhodná i pro některé části uzavřeného úseku. V tomto případě zůstane uvnitř hotového výrobku lehká pěnová raznice. Křídlo Mitsubishi Evo je příkladem tohoto druhu.
Autor článku: Alexey Romanov (upraveno Rules26:))
redaktor časopisu “TUNING Cars” má svůj pohled na svět uhlíkových vláken)))
A aniž by udělal pár dílů, posuzuje to, co „zná“ jen z knih.
Zkuste to a jděte do toho!
Slovo „karbon“ je jakýmsi odborným žargonem, přesněji zkratkou anglického Carbon Fiber (uhlíkové vlákno), pod jehož záštitou se v obecném chápání sjednotilo obrovské množství různých materiálů. Přibližně tisíce různých látek s různými fyzikálními, chemickými a technickými vlastnostmi se nazývají „plasty“. V případě karbonu je společným materiálem pro materiály výplň z uhlíkových vláken, nikoli však pojivo, které se může lišit. I polyetylenová fólie s napájenými uhlíkovými nitěmi může právem nést toto hrdé jméno. Jednoduše zatím neexistuje žádná zavedená klasifikace plastů vyztužených uhlíkovými vlákny.
Většina moderních materiálů používaných v technice a zejména v automobilovém průmyslu se podle podobného scénáře dostává k běžnému spotřebiteli. Inovace se objevují ve vědeckých laboratořích, obvykle pro potřeby obranného průmyslu. Poté, co splnili čestnou povinnost chránit vlast, prošli sportem a v důsledku toho se naladili na montážní linku. To se stalo v případě uhlíkových materiálů.
Jaké je použití uhlíkových vláken?
Pronikání uhlíkových vláken do designu „přístrojů“ laděných nadšenci dostává v posledních letech lavinový charakter. Kromě toho jsou uhlíková vlákna stále častěji zmiňována v popisech sériových vozidel. Tento materiál, který má vojensko-kosmické a sportovní zázemí, je stále oblíbenější. Pevnost a lehkost materiálů oceňují automobiloví designéři již dlouho, zhruba od 50. let minulého století. Dnešní pokroky ve výrobní technologii zvyšují pokušení používat více kompozitů v nových konstrukcích. Pro majitele vozu jsou takové detaily cenné nejen pro dekorativní design karbonové tkaniny a fascinující „iridiscenci“ světla odráženého vlákny, ale také pro zbývající auru exkluzivity. Ze strany výrobce je nabídka karbonových prvků v povrchové úpravě ukazatelem technologického „pokročilosti“ společnosti.
Krátký kurz historie.
Aniž bychom porušovali zavedené tradice, po „službě v armádě“ se uhlíková vlákna „ujala“ sportu. Lyžaři, cyklisté, veslaři, hokejisté a mnoho dalších sportovců ocení lehké a odolné vybavení. V motoristickém sportu začala éra uhlíku v roce 1976. Nejprve se na vozech McLaren objevily jednotlivé díly z výstředního černě duhového materiálu a v roce 1981 vstoupil na trať McLaren MP4 s monokokem vyrobeným výhradně z uhlíkového kompozitu. Kvalitativního rozvoje se tak dočkal nápad hlavního konstruktéra týmu Lotus Colina Chapmana, který v 1960. letech vytvořil nosný základ závodní karoserie. Jenže v té době byl nový materiál pro technologa motorsportu ještě neznámý, a tak nezničitelnou kapsli pro McLaren vyrobila americká společnost Hercules Aerospace, která má zkušenosti s vývojem vojenského vesmíru. Nyní mají téměř všechny přední týmy Formule 1 vlastní zařízení na výrobu karbonových monokoků, ramen zavěšení kol, křídel, spoilerů, sedadel pilotů, volantů a dokonce i brzdových kotoučů.
Co je CARBON nebo uhlíkové vlákno?
Uhlíkové vlákno se skládá z mnoha jemných uhlíkových vláken. Pevnost závitů v tahu, srovnatelná s pevností legované oceli, s hmotností menší než u hliníku, určuje vysoké mechanické vlastnosti uhlíkových vláken. Zajímavé je, že nejběžnější technologie výroby takto odolného materiálu je založena na metodě „uhelnatění“ vláken, jejichž výchozí vlastnosti jsou blízké vlně. Originální bílý polymer se záludným názvem polyakrylonitril je podroben několika cyklům ohřevu v prostředí inertních plynů. Za prvé, vlivem vysoké teploty (asi 260 C) se na molekulární úrovni změní vnitřní struktura látky. Poté při vyšších teplotách (asi 700 C) atomy uhlíku „vylučují“ vodík. Po několika „smaženích“ je vodík zcela odstraněn. Nyní jsou síly, které ji držely, zaměřeny na posílení vazeb mezi zbývajícími prvky. Materiál už vlnu nepřipomíná, ale jeho pevnost má k ideálu stále daleko. A proces zvaný grafitizace pokračuje. Opakované zahřívání až do 1300 C „čistí“ zčernalé vlákno od dusíku. Toho posledního se nelze úplně zbavit, ale jeho množství se snižuje. Každý „krok“ zvyšuje obsah atomů uhlíku v látce a jejich vazba se upevňuje. Mechanismus tuhnutí je stejný jako při „vytlačování“ vodíku. Nejodolnější výrobky procházejí několika stupni grafitizace při teplotách do 3000 C a označují se zkratkou UHM.
Proč tak drahé?
Vysoká spotřeba energie je hlavním důvodem vysokých nákladů na uhlíková vlákna. To je však více než kompenzováno působivým výsledkem. Ani se mi nechce věřit, že to všechno začalo „jemným a nadýchaným“ materiálem obsaženým v docela prozaických věcech a známým nejen zaměstnancům chemických laboratoří. Bílá vlákna – tzv. kopolymery polyakrylonitrilu – jsou široce používána v textilním průmyslu. Jsou součástí šatů, obleků a pletenin, koberců, plachet, čalounění a filtračních materiálů. Jinými slovy, kopolymery polyakrylonitrilu jsou přítomny všude tam, kde je na doprovodném štítku zmíněno akrylové vlákno. Některé z nich „slouží“ jako plasty. Nejběžnější z nich je ABS plast. Ukazuje se tedy, že uhlík má mnoho „bratranců“.
Karbonové vlákno má působivou pevnost v tahu, ale jeho schopnost „zasáhnout“ při ohybu je oslabena. Proto je pro stejnou pevnost výrobků vhodnější použít tkaninu. Vlákna uspořádaná v určitém pořadí si navzájem „pomáhají“ vyrovnat se se zátěží. Jednosměrné pásky tuto výhodu nemají. Zadáním různých orientací vrstev je však možné dosáhnout požadované pevnosti v požadovaném směru, výrazně ušetřit na hmotě dílce a zbytečně nezpevňovat nedůležitá místa.
Co je uhlíková tkanina?
Pro výrobu karbonových dílů se používají jak jednoduché karbonové vlákno s náhodně umístěnými závity, které vyplňují celý objem materiálu, tak tkanina (Carbon Fabric). Existují desítky druhů tkaní. Nejběžnější jsou Plain, Twill, Satin. Někdy je tkaní podmíněné – stuha podélně umístěných vláken je „uchopena“ řídkými příčnými stehy, aby se nerozpadla.
Hustota tkaniny neboli měrná hmotnost, vyjádřená v g/m2, závisí kromě typu tkaní na tloušťce vlákna, která je dána počtem uhlíkových vláken. Tato charakteristika je násobkem tisíce. Takže zkratka 1K znamená tisíc vláken ve vláknu. Nejčastěji používanými látkami v motorsportu a tuningu jsou plátnová a keprová vazba o hustotě 150–600 g/m2, s tloušťkami vláken 1K, 2.5K, 3K, 6K, 12K a 24K. Tkanina 12K je také široce používána ve vojenských výrobcích (trupy a hlavy balistických střel, listy rotorů vrtulníků a ponorek atd.), To znamená, že části jsou vystaveny obrovskému zatížení.
Je tam barevný uhlík? Je tam žlutý uhlík?
Od výrobců tuningových dílů a v důsledku toho i od zákazníků můžete často slyšet o „stříbrném“ nebo „barevném“ karbonu. “Stříbrná” nebo “hliníková” barva je pouze barva nebo kovový povlak na skleněném vláknu. A je nevhodné nazývat takový materiál uhlíkem – jde o sklolaminát. Je potěšující, že se v této oblasti stále objevují nové nápady, ale vlastnosti skla se s uhlíkovým uhlím nedají srovnávat. Barevné látky se nejčastěji vyrábí z kevlaru. I když někteří výrobci používají sklolaminát i zde; Existují dokonce barvená viskóza a polyethylen. Při snaze ušetřit nahrazením kevlaru zmíněnými polymerovými nitěmi se přilnavost takového produktu k pryskyřicím zhoršuje. O nějaké trvanlivosti výrobků s takovými látkami nemůže být řeč.
Všimněte si, že Kevlar, Nomex a Tvaron jsou patentované americké značky polymerů. Jejich vědecký název je „aramidy“. Jde o příbuzné silonek a silonek. Rusko má své vlastní analogy – SVM, Rusar, Terlon SB a Armos. Ale jak se často stává, nejvíce „propagovaný“ název – „Kevlar“ – se stal pojmem pro všechny materiály.
Co je Kevlar a jaké jsou jeho vlastnosti?
Z hlediska hmotnosti, pevnosti a teplotních vlastností je Kevlar horší než uhlíková vlákna. Schopnost kevlaru odolat ohybovému zatížení je výrazně vyšší. Právě proto je spojen vznik hybridních tkanin, ve kterých jsou uhlík a kevlar obsaženy přibližně stejně. Díly s karbon-aramidovými vlákny vnímají elastickou deformaci lépe než karbonové výrobky. Mají však i nevýhody. Karbon-kevlarový kompozit je méně odolný. Navíc je těžší a „bojí se“ vody. Aramidová vlákna mají tendenci absorbovat vlhkost, což má vliv jak na ně samotné, tak na většinu pryskyřic. Nejde jen o to, že „epoxid“ se postupně ničí roztokem vody a soli na chemické úrovni. Ohřev a chlazení a v zimě obecně zamrzání, voda mechanicky uvolňuje materiál dílu zevnitř. A ještě dva komentáře. Kevlar při vystavení ultrafialovému světlu degraduje a lisovaný materiál v pryskyřici ztrácí některé ze svých úžasných vlastností. Vysoká odolnost proti roztržení a proříznutí se vyznačuje kevlarovou tkaninou pouze ve své „suché“ formě. Proto aramidy vykazují své nejlepší vlastnosti v jiných oblastech. Rohože vyrobené z několika vrstev těchto materiálů jsou hlavním komponentem pro výrobu lehkých neprůstřelných vesty a dalšího bezpečnostního vybavení. Kevlarové nitě se používají k tkaní tenkých a pevných lodních lan, výrobě kordů v pneumatikách a jejich použití v hnacích řemenech strojů a bezpečnostních pásech v autech.
Jak se vyrábí uhlíkové a/nebo kompozitní produkty?
Technologie výroby skutečných uhlíkových produktů je založena na vlastnostech použitých pryskyřic. Existuje velké množství sloučenin, jak se pryskyřice správně říká. Polyesterové a epoxidové pryskyřice tuhnoucí za studena jsou mezi výrobci sklolaminátových karoserií nejrozšířenější, ale nejsou schopny plně odhalit všechny výhody uhlíkových vláken. Především kvůli slabé síle těchto pojivových sloučenin. Pokud k tomu přidáme špatnou odolnost vůči zvýšeným teplotám a ultrafialovým paprskům, pak jsou vyhlídky na používání většiny běžných značek velmi pochybné. Karbonová kapota vyrobená z takových materiálů stihne během jednoho horkého letního měsíce zežloutnout a ztratit svůj tvar. Mimochodem, „horké“ pryskyřice nemají rády ultrafialové záření, proto by z důvodu bezpečnosti měly být díly potaženy alespoň průhledným automobilovým lakem.
Směsi vytvrzované za studena.
„Studené“ technologie pro malosériovou výrobu méně kritických dílů neumožňují vývoj, protože mají také další vážné nevýhody. Vakuové metody výroby kompozitů (pryskyřice se přivádí do uzavřené matrice, ze které se odsává vzduch) vyžadují zdlouhavou přípravu zařízení. K tomu připočtěme míchání pryskyřičných složek, které „zabije“ spoustu času, což také nepřispívá k produktivitě. O ručním lepení nemá smysl se vůbec bavit. Způsob nástřiku nasekaných vláken do matrice neumožňuje použití tkanin. Ve skutečnosti je vše totožné s výrobou sklolaminátu. Jen místo skla se používá uhlí. I ten nejautomatizovanější z procesů, který také umožňuje pracovat s vysokoteplotními pryskyřicemi (způsob navíjení), je vhodný pro úzký seznam dílů s uzavřeným průřezem a vyžaduje velmi drahé vybavení.
Teplem vytvrzované epoxidové pryskyřice jsou pevnější, což umožňuje plně odhalit vlastnosti uhlíku. U některých „horkých“ pryskyřic začíná polymerační mechanismus při „pokojové“ teplotě velmi pomalu. Na tom je založena tzv. technologie prepreg, která spočívá v nanášení hotové pryskyřice na uhlíkovou tkaninu nebo uhlíkové vlákno dlouho před procesem formování. Připravené materiály prostě čekají v křídlech ve skladech.
V závislosti na značce pryskyřice trvá doba tekutého stavu obvykle několik hodin až několik týdnů. Pro prodloužení doby zpracovatelnosti se připravené prepregy někdy skladují v chladničkách. Některé značky pryskyřic „žijí“ roky v hotové podobě. Před přidáním tvrdidla se pryskyřice zahřejí na 50–60 C, poté se po smíchání nanášejí na tkaninu pomocí speciálního zařízení. Poté se látka podloží plastovou fólií, sroluje a ochladí na 20–25 C. V této podobě bude materiál skladován velmi dlouho. Navíc ochlazená pryskyřice zasychá a na povrchu látky se stává prakticky neviditelnou. Přímo při výrobě dílu se zahřáté pojivo stává tekutým jako voda, díky čemuž se rozteče, vyplní celý objem pracovní formy a urychlí se proces polymerace.
Směsi vytvrzované za tepla.
Existuje velké množství „horkých“ sloučenin, z nichž každá má své vlastní režimy teploty a doby vytvrzování. Obvykle platí, že čím vyšší je údaj teploměru požadovaný během procesu formování, tím pevnější a odolnější vůči teplu je hotový výrobek. Na základě možností dostupného zařízení a požadovaných vlastností konečného produktu můžete nejen vybrat vhodné pryskyřice, ale také je vyrobit na zakázku. Někteří domácí výrobci tuto službu nabízejí. Samozřejmě ne zadarmo.
Prepregy jsou ideální pro výrobu uhlíku v autoklávech. Před naložením do pracovní komory se potřebné množství materiálu pečlivě vloží do matrice a přikryje vakuovým sáčkem na speciálních distančních podložkách. Správné umístění všech komponentů je velmi důležité, jinak se nevyhnete nechtěným záhybům vytvořeným pod tlakem. Později již nebude možné chybu opravit. Pokud by byla příprava prováděna s tekutým pojivem, stala by se skutečnou zkouškou pro nervový systém pracovníků s nejasnými vyhlídkami na úspěch operace.
Procesy probíhající uvnitř instalace jsou jednoduché. Vysoká teplota roztaví pojivo a „zapne“ polymeraci, vakuový sáček odstraní vzduch a přebytečnou pryskyřici a zvýšený tlak v komoře přitlačí všechny vrstvy tkaniny k matrici. A všechno se děje ve stejnou dobu.
Na jednu stranu to má určité výhody. Síla takového uhlíkového vlákna je téměř maximální, předměty nejsložitějšího tvaru jsou vyrobeny v jednom „sedě“. Samotné matrice nejsou monumentální, protože tlak je distribuován rovnoměrně ve všech směrech a nenarušuje geometrii zařízení. Což znamená rychlou přípravu nových projektů. Na druhé straně zahřátí na několik set stupňů a tlak, někdy dosahující 20 atm., činí z autoklávu velmi nákladnou konstrukci. Ceny zařízení se v závislosti na rozměrech pohybují od několika set tisíc až po několik milionů dolarů. K tomu připočtěme nemilosrdnou spotřebu elektrické energie a složitost výrobního cyklu. Výsledkem jsou vysoké výrobní náklady. Existují však dražší a složitější technologie, jejichž výsledky jsou ještě působivější. Kompozitní materiály uhlík-uhlík (CCM) v brzdových kotoučích na vozech Formule 1 a v tryskách raketových motorů odolávají enormnímu zatížení při provozních teplotách dosahujících 3000 C. Tento typ uhlíku se vyrábí grafitizací termosetové pryskyřice, která je impregnována stlačeným uhlíkovým vláknem prázdný. Operace je poněkud podobná samotné výrobě uhlíkových vláken, pouze k ní dochází při tlaku 100 atmosfér. Ano, velké sporty a vojensko-kosmický sektor jsou schopny konzumovat unikátní předměty za přemrštěné ceny. Pro tuning a zejména pro sériovou výrobu je takový poměr „cena-kvalita“ nepřijatelný.
Pokud se najde řešení, vypadá to tak jednoduše, že si říkáte: „Co vám bránilo myslet na to dříve?“ Nápad oddělit procesy probíhající v autoklávu však vznikl po letech výzkumu. Tak se objevila a začala nabírat na síle technologie, díky níž bylo formování uhlíku za tepla podobné lisování. Prepreg se připravuje ve formě sendviče. Po nanesení pryskyřice se látka pokryje z obou stran buď polyetylenem, nebo tepelně odolnější fólií. „Sendvič“ prochází mezi dvěma hřídelemi přitlačenými k sobě. Zároveň se odstraňuje přebytečná pryskyřice a nežádoucí vzduch, podobně jako při odstřeďování prádla v pračkách v 1960. letech. Prepreg je vtlačen do matrice razníkem, který je upevněn závitovými spoji. Dále je celá konstrukce umístěna do topné skříně.
Tuningové společnosti vyrábějí matrice ze stejných uhlíkových vláken a dokonce i odolných značek alabastru. Sádrové pracovní formy jsou však krátkodobé, ale jsou docela schopné vyrobit několik produktů. „Pokročilejší“ matrice jsou vyrobeny z kovu a někdy jsou vybaveny vestavěnými topnými články. Jsou optimální pro hromadnou výrobu. Mimochodem, metoda je vhodná i pro některé části uzavřeného úseku. V tomto případě zůstane uvnitř hotového výrobku lehká pěnová raznice. Křídlo Mitsubishi Evo je příkladem tohoto druhu.
Mechanické síly vás nutí přemýšlet o síle zařízení a systém matrice-punch vyžaduje buď 3D modelování, nebo špičkového modeláře. Ale stále je to stokrát levnější než technologie autoklávu.
c) Uhlíkové inženýrství
