Kompozyty z włóknem węglowym – właściwości CFRP na tle stali i aluminium

CFRP może mieć przy około jednej piątej gęstości stali porównywalną lub większą sztywność właściwą i wielokrotnie wyższą wytrzymałość odniesioną do masy. Nie oznacza to jednak, że włókno węglowe jest „lepszą stalą”. Kompozyt projektuje się w kierunkach obciążenia, jego właściwości poprzeczne mogą być kilkadziesiąt razy słabsze niż wzdłuż włókien, a o trwałości elementu decydują również żywica, układ warstw, połączenia i jakość procesu produkcyjnego.

CFRP nie jest materiałem jednorodnym

Skrót CFRP oznacza Carbon Fiber Reinforced Polymer, czyli polimer wzmacniany włóknami węglowymi. Nazwa obejmuje ogromną rodzinę materiałów różniących się rodzajem włókna, matrycy, udziałem objętościowym zbrojenia, orientacją warstw i technologią wytwarzania.

Włókno odpowiada przede wszystkim za przenoszenie dużych naprężeń rozciągających i za sztywność w kierunku swojej osi. Matryca polimerowa utrzymuje włókna we właściwym położeniu, przekazuje pomiędzy nimi obciążenie, zabezpiecza powierzchnię i odpowiada za znaczną część zachowania poprzecznego oraz międzywarstwowego.

Typowe włókno konstrukcyjne klasy standard modulus ma średnicę około 7 µm. Dla przykładowego włókna Toray T700S producent podaje:

• gęstość: 1,80 g/cm³,
• wytrzymałość na rozciąganie włókna: 4900 MPa,
• moduł Younga: 230 GPa,
• odkształcenie przy zerwaniu: około 2,1%.

Gotowy kompozyt nie osiąga jednak automatycznie tych samych parametrów. Część objętości zajmuje żywica, pojawiają się granice faz, warstwy mają różną orientację, a właściwości zależą również od porowatości i jakości wykonania.

CFRP, stal, aluminium i tytan – porównanie właściwości

Największą przewagę CFRP widać dopiero po odniesieniu parametrów mechanicznych do masy. Sama wartość modułu Younga nie daje pełnego obrazu.

Stal ma moduł około 200–210 GPa, czyli wyższy niż wiele standardowych laminatów CFRP. Jej gęstość wynosi jednak około 7,8–7,9 g/cm³. Typowy laminat węglowo-epoksydowy ma gęstość około 1,5–1,6 g/cm³.

*CFRP nie ma jednej wartości właściwości. Liczby odnoszą się do reprezentatywnych laminatów jednokierunkowych. W gotowym laminacie wielokierunkowym parametry zależą od sekwencji warstw i udziału włókien.

Porównanie pokazuje również ograniczenie popularnego stwierdzenia, że „carbon jest sztywniejszy od stali”. Bez odniesienia do kierunku włókien, typu włókna, udziału objętościowego i gęstości takie zdanie jest zbyt uproszczone.

Znacznie bardziej użytecznym parametrem w konstrukcjach lekkich jest sztywność właściwa, czyli moduł sprężystości podzielony przez gęstość.

Dla reprezentatywnego laminatu CFRP o E = 134 GPa i gęstości około 1,55 g/cm³ wartość E/ρ wynosi około 86. Dla stali o E = 210 GPa i gęstości 7,85 g/cm³ jest to około 27.

Właśnie ta różnica tłumaczy atrakcyjność CFRP w konstrukcjach, w których kilogram masy ma dużą wartość techniczną.

2860 MPa w jednym kierunku i 81 MPa w drugim

Najważniejszą właściwością CFRP, której nie można pominąć w projektowaniu, jest anizotropia.

Dla jednokierunkowego kompozytu T700S z matrycą epoksydową, znormalizowanego przez producenta do 60% udziału objętościowego włókien, karta materiałowa podaje bardzo różne wartości zależnie od kierunku i rodzaju obciążenia.

Stosunek 2860 MPa do 81 MPa wynosi ponad 35:1. Jest to najlepszy dowód, że CFRP nie może być traktowany jak metal o zmniejszonej gęstości.

Materiał jest niezwykle wytrzymały wtedy, gdy obciążenie zostało przewidziane przez projektanta i włókna ustawiono zgodnie z jego kierunkiem. W kierunku poprzecznym dominującą rolę przejmuje znacznie słabsza osnowa.

Układ warstw tworzy właściwości laminatu

Rzeczywisty element rzadko składa się wyłącznie z włókien ułożonych w jednym kierunku. Laminat powstaje przez połączenie warstw o różnych orientacjach.

Typowa sekwencja może zawierać warstwy:

0° / +45° / −45° / 90°

Warstwa 0° przenosi główne obciążenia podłużne. Warstwy ±45° są szczególnie istotne przy ścinaniu i skręcaniu. Warstwy 90° zwiększają właściwości poprzeczne oraz stabilizują strukturę.

Każde dodanie warstwy skierowanej inaczej niż główny kierunek obciążenia zmniejsza jednak udział materiału pracującego w kierunku maksymalnej wytrzymałości.

Laminat quasi-izotropowy ma znacznie bardziej wyrównane właściwości w płaszczyźnie niż laminat jednokierunkowy, lecz nie osiąga w żadnym kierunku ekstremalnych parametrów pakietu 0°.

To fundamentalna różnica wobec większości konstrukcji metalowych: właściwości materiału powstają równocześnie z projektem konstrukcji.

Politechnika Warszawska wskazuje właśnie możliwość kształtowania właściwości kompozytu poprzez dobór składników, ich ilości i wzajemnego ułożenia jako jedną z podstawowych cech tej grupy materiałów.

Redukcja masy jako właściwość systemowa

Zastąpienie stalowej części kompozytem nie oznacza automatycznie zmniejszenia jej masy w stosunku 7,85 : 1,55. Elementy mają inną geometrię, wymagają innych połączeń, stref wprowadzania obciążeń i współczynników bezpieczeństwa.

Mimo to przy dobrze zaprojektowanej strukturze różnica może być bardzo duża.

Zmęczenie, korozja i rozszerzalność cieplna

CFRP różni się od metali także mechanizmem powstawania uszkodzeń zmęczeniowych.

W metalu cykliczne naprężenia mogą prowadzić do inicjacji i stopniowego rozwoju pojedynczego dominującego pęknięcia. W laminacie kompozytowym degradacja może obejmować wiele mechanizmów równocześnie:

• mikropęknięcia matrycy,
• odspajanie włókno–matryca,
• pękanie pojedynczych włókien,
• delaminację pomiędzy warstwami.

Powoduje to bardziej złożony obraz uszkodzenia niż w klasycznym materiale izotropowym.

Brak typowej korozji nie oznacza pełnej obojętności chemicznej

Włókno węglowe i matryca polimerowa nie korodują tak jak stal, ale kompozyt może absorbować wilgoć, a żywica starzeje się pod wpływem temperatury, UV i środowiska chemicznego.

Dodatkowo włókno węglowe jest przewodnikiem elektrycznym. Bezpośrednie połączenie CFRP z aluminium w obecności elektrolitu może tworzyć niekorzystne ogniwo galwaniczne i przyspieszać korozję metalu.

W praktyce konieczna bywa elektryczna separacja obu materiałów.

Bardzo mała rozszerzalność wzdłuż włókna

Dla włókna T700S producent podaje współczynnik rozszerzalności cieplnej około −0,38 × 10⁻⁶/°C w kierunku włókna.

Właściwie zaprojektowany laminat może dzięki temu charakteryzować się bardzo wysoką stabilnością wymiarową. Cecha ta jest cenna w precyzyjnych konstrukcjach, optyce, urządzeniach pomiarowych i strukturach satelitarnych.

Temperaturę pracy ogranicza przede wszystkim matryca

Włókno węglowe zachowuje swoje właściwości w temperaturach znacznie wyższych niż typowa żywica epoksydowa. W CFRP ograniczeniem staje się więc zwykle osnowa.

Po zbliżeniu do temperatury zeszklenia T_g sztywność polimeru zaczyna wyraźnie maleć. Pogarsza się zdolność matrycy do stabilizowania włókien i przenoszenia naprężeń ścinających.

Dlatego informacja, że element jest wykonany „z carbonu”, nie wystarcza do określenia jego temperatury użytkowej.

Znaczenie ma system żywiczny:

• standardowa żywica epoksydowa,
• epoksyd wysokotemperaturowy,
• bismaleimid BMI,
• poliimid,
• matryca termoplastyczna PEEK lub PEKK.

Każdy z tych systemów daje inny zakres temperatury, udarności, czasu cyklu produkcyjnego i kosztu.

Prepreg, autoklaw, RTM i infuzja

W kompozytach technologia produkcji jest częścią właściwości materiału. Dwie części wykonane z tego samego włókna i tej samej żywicy mogą osiągać różne parametry, jeżeli różnią się udziałem włókien i poziomem porowatości.

Prepreg i autoklaw

Prepreg to włókno lub tkanina fabrycznie przesycone kontrolowaną ilością żywicy. Po ułożeniu warstw laminat utwardza się pod temperaturą i ciśnieniem.

Technologia pozwala uzyskać wysoką zawartość włókien i niewielką porowatość, dlatego jest szeroko stosowana w strukturach lotniczych. Wadami są koszt materiału, często wymagane chłodnicze warunki przechowywania oraz koszt autoklawu.

Infuzja próżniowa

Suche zbrojenie układa się w formie, a następnie podciśnienie zasysa ciekłą żywicę przez pakiet włókien. Metoda pozwala wykonywać bardzo duże elementy bez autoklawu.

Kluczowe znaczenie ma przepływ żywicy. Zbyt szybki lub nierównomierny front może pozostawić suche obszary i pory.

RTM

W Resin Transfer Moulding suche włókna umieszcza się w zamkniętej formie, do której żywica jest wtłaczana pod ciśnieniem.

Proces zapewnia dobrą jakość obu powierzchni i jest bardziej odpowiedni do automatyzacji seryjnej produkcji niż klasyczne ręczne laminowanie.

Termoplasty

Kompozyty z matrycą termoplastyczną mogą być ponownie nagrzewane, formowane i zgrzewane. Otwiera to możliwość skracania cykli produkcyjnych i ułatwia niektóre strategie recyklingu.

Ich przetwarzanie wymaga jednak wysokich temperatur, a lepkość stopionego termoplastu jest znacznie większa niż ciekłej żywicy epoksydowej.

Delaminacja i uszkodzenia niewidoczne z zewnątrz

Metal po uderzeniu często pozostawia trwałe wgniecenie, które jest wizualnym sygnałem uszkodzenia. Laminat CFRP może zachowywać niemal niezmienioną powierzchnię, a jednocześnie zawierać rozległą delaminację pod spodem.

Jednym z charakterystycznych przypadków jest Barely Visible Impact Damage – uszkodzenie udarowe słabo widoczne podczas oględzin.

Uderzenie może powodować jednocześnie:

• pękanie matrycy,
• rozwarstwienie laminatu,
• lokalne zerwanie włókien,
• odspojenie na granicy włókno–matryca.

Delaminacja jest szczególnie niebezpieczna przy ściskaniu. Rozdzielone warstwy tracą wzajemne podparcie i mogą lokalnie wyboczyć się znacznie wcześniej.

Dlatego w odpowiedzialnych konstrukcjach wykorzystuje się badania ultradźwiękowe, termografię, shearografię, radiografię oraz inne metody NDT.

Połączenia bywają trudniejsze niż sam laminat

Otwór na śrubę przecina ciągłe włókna i wprowadza bardzo wysokie lokalne naprężenia. Połączenie, które jest banalne w stalowej blasze, może stać się jednym z najbardziej krytycznych obszarów konstrukcji kompozytowej.

Wokół otworu mogą wystąpić różne tryby zniszczenia:

• docisk powierzchniowy bearing,
• ścięcie części laminatu,
• rozerwanie netto przekroju,
• delaminacja.

Dlatego lokalnie zwiększa się grubość laminatu, zmienia orientację warstw, stosuje metalowe inserty lub rozkłada obciążenie na większą powierzchnię.

Alternatywą są połączenia klejone, które bardzo dobrze wykorzystują dużą powierzchnię kompozytu. Wymagają jednak starannego przygotowania powierzchni i kontroli jakości spoiny.

Naprawa i odzysk włókna węglowego

W przypadku laminatu z żywicą termoutwardzalną matrycy nie można po prostu stopić i ponownie uformować. Raz utwardzona tworzy trwale usieciowaną strukturę chemiczną.

Odzysk włókna prowadzi się między innymi przez pirolizę, procesy solwolizy lub rozdrabnianie mechaniczne.

Piroliza usuwa organiczną matrycę w podwyższonej temperaturze, pozostawiając włókna. Proces pozwala odzyskać wartościowy materiał, ale włókna są zwykle krótsze i mogą mieć inne właściwości powierzchniowe niż pierwotne zbrojenie ciągłe.

Dlatego materiał z recyklingu jest szczególnie interesujący w:

• kompozytach z krótkim włóknem,
• włókninach,
• elementach niewymagających ciągłego zbrojenia,
• materiałach funkcjonalnych i przewodzących.

Politechnika Warszawska prowadzi badania zarówno nad kompozytami wzmacnianymi włóknami węglowymi, jak i nad degradacją oraz recyklingiem materiałów polimerowych i kompozytowych.

Obszary największej przewagi CFRP

CFRP jest najbardziej wartościowy tam, gdzie wysoki koszt materiału i procesu jest rekompensowany przez parametr, którego metal nie może zapewnić przy tej samej masie.

Lotnictwo

Redukcja masy działa przez cały okres eksploatacji samolotu. Każdy kilogram trzeba rozpędzić, wznieść i utrzymywać w locie podczas tysięcy godzin pracy.

Konstrukcje kosmiczne

Wysoka sztywność właściwa i możliwość uzyskania bardzo małego współczynnika rozszerzalności cieplnej są szczególnie cenne w strukturach satelitarnych, antenach i elementach optycznych.

Motorsport i samochody wysokiej klasy

Zmniejszenie masy może poprawiać przyspieszenie, hamowanie i zachowanie zawieszenia. Kompozyt umożliwia również integrację wielu funkcji w pojedynczej skorupie strukturalnej.

Robotyka i automatyka

Mała masa ruchomego ramienia przy wysokiej sztywności zmniejsza bezwładność. Pozwala to zwiększyć dynamikę ruchu albo zmniejszyć wymaganą moc napędów.

Maszyny precyzyjne

W konstrukcjach pomiarowych i pozycjonujących cenna jest kombinacja sztywności, małej masy oraz stabilności wymiarowej.

Przewaga CFRP nie polega więc na zastępowaniu stali lub aluminium jeden do jednego. Największe korzyści pojawiają się wtedy, gdy konstrukcja zostanie od początku zaprojektowana jako kompozytowa: kierunki włókien odpowiadają rzeczywistym ścieżkom obciążenia, połączenia są przewidziane w układzie warstw, a technologia wytwarzania stanowi część projektu.

W takim układzie materiał może wykorzystać swoją najważniejszą cechę – możliwość rozmieszczenia bardzo wysokich właściwości mechanicznych dokładnie tam i w tych kierunkach, w których są potrzebne.

Jeżeli natomiast geometria zostanie bezpośrednio skopiowana z elementu stalowego, duża część potencjału włókien węglowych pozostaje niewykorzystana, a wysoki koszt materiału zaczyna dominować nad jego zaletami.