Tkanina z włókna węglowego: jak jest wykonana, tkana i używana

Co do jest tkanina z włókna węglowego?

Tkanina z włókna węglowego to wysokowydajny materiał tekstylny utkany z pasm włókna węglowego – każde pasmo ma średnicę około 5–10 mikronów, około 10 razy cieńsze niż ludzki włos. Rezultatem jest materiał 5 razy mocniejszy od stali jeszcze waży około 40% mniej . Łączy w sobie ekstremalną sztywność, niską wagę i doskonałą odporność na ciepło i korozję, co czyni go jednym z najlepiej opracowanych dostępnych obecnie materiałów.

Jak powstaje tkanina z włókna węglowego?

Proces produkcyjny rozpoczyna się najczęściej od materiału prekursorowego poliakrylonitryl (PAN) , co stanowi ponad 90% komercyjnej produkcji włókna węglowego. Proces składa się z kilku precyzyjnie kontrolowanych etapów:

1. Wirowanie: PAN rozpuszcza się i wytłacza w postaci drobnych włókien za pomocą dyszy przędzalniczej, podobnie jak w przypadku tekstyliów syntetycznych.
2. Stabilizacja (utlenianie): Filamenty rozciąga się i podgrzewa na powietrzu w temperaturze 200–300°C przez 30–120 minut. Ten etap sieciuje łańcuchy polimeru, przygotowując je do karbonizacji.
3. Karbonizacja: Stabilizowane włókna są podgrzewane w obojętnej atmosferze azotu w temperaturach od 1000°C do 1500°C. Na tym etapie atomy inne niż węgiel (wodór, azot, tlen) są wydalane, pozostawiając włókno zawierające ponad 92% czystego węgla.
4. Grafityzacja (opcjonalnie): W przypadku włókien o ultrawysokim module temperatury mogą sięgać 2000–3000°C, ustawiając atomy węgla w bardziej uporządkowaną siatkę przypominającą grafit, zapewniając większą sztywność.
5. Obróbka powierzchniowa: Powierzchnia jest trawiona chemicznie i pokryta środkiem zaklejającym (zwykle zgodnym z epoksydami), aby poprawić przyczepność podczas stosowania w kompozytach.
6. Szpulowanie i tkanie: Gotowe wiązki przewodów (np. 3K = 3000 włókien, 12K = 12 000 włókien) są nawijane na szpule i podawane do krosien w celu tkania.

Cały proces od surowego PAN do gotowej tkaniny z włókna węglowego zajmuje zazwyczaj kilka godzin na partię i wymaga ściśle kontrolowanego sprzętu przemysłowego.

Jak tkane jest włókno węglowe?

Podobnie jak konwencjonalne tekstylia, tkanina z włókna węglowego jest produkowana na krosnach przemysłowych. Wzór splotu znacząco wpływa na właściwości mechaniczne, układanie i wygląd finalnej tkaniny. Najpopularniejsze style splotów to:

The Skośny 2×2 jest najbardziej rozpoznawalny — tworzy kultowy wzór w ukośną jodełkę, kojarzony z wyczynowymi samochodami sportowymi i towarami konsumpcyjnymi klasy premium. Tkaniny są zazwyczaj sprzedawane na wagę w gramach na metr kwadratowy (gsm); typowe wagi wahają się od 100 g/m2 (lekki, dobrze układający się) to 600 g/m2 (ciężkie zastosowania strukturalne) .

Czy tkanina z włókna węglowego jest wodoodporna?

Jest to goła tkanina z włókna węglowego nie jest z natury wodoodporny . Surowa tkanina jest porowata i pochłania wodę. Jednakże kompozyty z włókna węglowego – w przypadku których tkanina jest nasycana lub laminowana żywicą (epoksydową, estrem winylowym lub poliestrem) – po utwardzeniu stają się skutecznie wodoodporne.

Kluczowe punkty dotyczące zachowania się wilgoci:

• Sucha tkanina z włókna węglowego łatwo wchłania wodę i powinna być przechowywana w szczelnie zamkniętym opakowaniu, aby zapobiec zanieczyszczeniu przed ułożeniem.
• Utwardzone kompozyty włókno węglowe/epoksyd mają zazwyczaj bardzo niską absorpcję wody mniej niż 1% wagowy nawet po dłuższym zanurzeniu, znacznie lepiej niż włókno szklane.
• Problemem jest korozja galwaniczna: włókno węglowe przewodzi prąd elektryczny i może przyspieszyć korozję elementów złącznych z aluminium lub stali, gdy występuje wilgoć. Właściwa izolacja ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach morskich i lotniczych.
• Długotrwała ekspozycja na promieniowanie UV może spowodować degradację matrycy żywicy (a nie samych włókien węglowych), powodując kredowanie powierzchni. Odporna na promieniowanie UV powłoka nawierzchniowa lub żelkot rozwiązuje ten problem w przypadku zastosowań zewnętrznych.

Do zastosowań morskich części kompozytowe z włókna węglowego są powszechnie stosowane w kadłubach, masztach i sterach jachtów regatowych właśnie ze względu na połączenie niskiej masy i niskiej absorpcji wody.

Do czego służy tkanina z włókna węglowego?

Światowy rynek włókien węglowych wyceniono na ok 4,7 miliarda dolarów w 2023 roku i przewiduje się, że przekroczy 9 miliardów dolarów do 2030 roku , napędzany popytem w wielu branżach.

Lotnictwo i obrona

Jest to największa i najbardziej wymagająca aplikacja. W Boeingu 787 Dreamliner przez około 50% ciężaru konstrukcyjnego łącznie z kadłubem i skrzydłami. Podobnie Airbus A350 wykorzystuje włókno węglowe w ponad 50% swojego płatowca. Materiał umożliwia oszczędność paliwa aż do 20% w porównaniu z tradycyjnymi aluminiowymi samolotami.

Motoryzacja

Włókno węglowe jest standardem w konstrukcji podwozia Formuły 1, gdzie cały nadwozie jest wykonane z kompozytu włókna węglowego. W pojazdach produkcyjnych pojawia się na panelach dachowych, maskach, zderzakach i elementach wykończenia wnętrza. W BMW i3 i i8 zastosowano kabinę pasażerską z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym (CFRP), co stanowiło znaczący kamień milowy w przyjęciu głównego nurtu motoryzacji. Supersamochody, takie jak Ferrari SF90 i McLaren Senna, wykorzystują nadwozie w dużej mierze wykonane z włókna węglowego, aby utrzymać masę poniżej 1500 kg pomimo mocnych hybrydowych układów napędowych.

Energia Wiatrowa

Łopaty turbin wiatrowych o długości ponad 60 metrów wymagają osłon dźwigarów z włókna węglowego, aby zachować sztywność konstrukcyjną pod cyklicznym obciążeniem. Pojedyncza łopatka turbiny morskiej może pomieścić ponad 1 tona włókna węglowego . W 2022 r. sektor energii wiatrowej zużył około 30 000 ton włókna węglowego.

Artykuły sportowe

Włókno węglowe jest wszechobecne w wyczynowym sprzęcie sportowym:

• Ramy rowerów szosowych (typowa waga: 700–900 g dla pełnego zestawu ram)
• Rakiety tenisowe, trzonki kijów golfowych, kije hokejowe
• Wiosła wiosłowe i wiosła kajakowe
• Protetyka wyczynowa (np. Łopatki do biegania)

Inżynieria lądowa i budownictwo

Arkusze i taśmy z polimerów wzmocnionych włóknem węglowym (CFRP) służą do wzmacniania starzejących się konstrukcji betonowych – mostów, kolumn i garaży – poprzez łączenie ich z powierzchnią zewnętrzną. Metoda ta zwiększa nośność bez zwiększania znacznej masy lub konieczności rozbiórki konstrukcji.

Urządzenia medyczne

Przezierność włókna węglowego (nie blokuje promieni rentgenowskich) sprawia, że idealnie nadaje się na stoły chirurgiczne, elementy implantów ortopedycznych i sprzęt do obrazowania. Występuje także w protezach kończyn, gdzie jego stosunek sztywności do masy ściśle naśladuje właściwości mechaniczne kości.

Tkanina kontra prepreg: wybór właściwej formy

Włókno węglowe jest sprzedawane w dwóch głównych postaciach do produkcji kompozytów:

• Sucha tkanina: Zwykła tkanina wymagająca osobnego wlewu żywicy (układanie na mokro lub infuzja próżniowa). Niższy koszt, dłuższy okres trwałości w temperaturze pokojowej, preferowany w przypadku dużych części i sklepów niestandardowych.
• Prepreg: Tkanina wstępnie impregnowana częściowo utwardzoną żywicą. Wymaga przechowywania w lodówce (zwykle w temperaturze -18°C), ale zapewnia bardziej spójne proporcje włókien do żywicy i jest standardem w produkcji lotniczej.

W zastosowaniach konstrukcyjnych, gdzie muszą być certyfikowane dokładne właściwości mechaniczne, standardem branżowym jest prepreg utwardzany w autoklawie. W przypadku części kosmetycznych i wyrobów niestandardowych sucha tkanina układana ręcznie lub metodą infuzji próżniowej jest znacznie bardziej dostępna i opłacalna.