Τι είναι οι ενώσεις CFRP και γιατί είναι χρήσιμες;

Τα ενισχυμένα με ανθρακονήματα πολυμερή ή CFRP , είναι μια κατηγορία σύνθετων υλικών πολύ χαμηλής πυκνότητας και υψηλής αντοχής που βρίσκουν εφαρμογές σε ένα ευρύ φάσμα βιομηχανιών, συμπεριλαμβανομένων των οποίων ποικίλλουν από εξοπλισμό για εξαιρετικά ανταγωνιστικά αθλήματα έως την αεροδιαστημική βιομηχανία. Παρά το τεχνικό του όνομα είναι σύνθετα πολυμερή ενισχυμένα με ίνες άνθρακα, οι περισσότεροι άνθρωποι αναφέρονται σε αυτήν την κατηγορία υλικών απλώς ως ανθρακονήματα .

Όπως υποδηλώνει το όνομά τους, αυτές οι ενώσεις σχηματίζονται από μια πολυμερή ή πλαστική μήτρα ενισχυμένη με ύφασμα από ανθρακονήματα υψηλής αντοχής. Οι τελικές ιδιότητες του σύνθετου υλικού εξαρτώνται τόσο από τον τύπο της ρητίνης που χρησιμοποιείται και από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των ινών, καθώς και από τον τρόπο με τον οποίο οι ίνες είναι συνυφασμένες μέσα στη μήτρα και την κατεύθυνση που έχουν μέσα στο υλικό. Από την άλλη πλευρά, συνήθως προστίθενται διαφορετικά πρόσθετα για την περαιτέρω τροποποίηση των ιδιοτήτων του προκύπτοντος εξαρτήματος.

Η πολυμερής μήτρα

Η μήτρα πολυμερούς εκπληρώνει τη λειτουργία της διατήρησης των ινών άνθρακα μαζί και σε σταθερή θέση. διαμορφώνει επίσης το μέρος που κατασκευάζεται.Αυτό αποτελείται σχεδόν πάντα από μια εποξειδική ρητίνη που σκληραίνει με θερμότητα, αν και υπάρχουν περιπτώσεις όπου χρησιμοποιούνται ρητίνες που σκληρύνονται με αέρα ή κάποιο θερμοπλαστικό ή άλλο πολυμερές.

Στη διαδικασία κατασκευής εξαρτημάτων, η εποξειδική ρητίνη μπορεί να συμπεριληφθεί με διάφορους τρόπους. Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα φύλλα από ανθρακονήματα είναι ήδη εμποτισμένα στη ρητίνη πριν στοιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο. Σε άλλες περιπτώσεις, τοποθετούνται στρώματα μη σκληρυνθείσας ρητίνης, ακολουθούμενα από ένα φύλλο ανθρακονήματος, μετά ένα άλλο στρώμα ρητίνης κ.ο.κ.

ίνες άνθρακα

Διαδικασία παραγωγής ανθρακονημάτων

Η διαδικασία κατασκευής των ινών άνθρακα είναι πολύ έξυπνη. Ουσιαστικά, αποτελείται πρώτα από την κατασκευή και την κλώση μιας συνθετικής πολυμερικής ίνας, δηλαδή ενός πλαστικού. Αυτό μπορεί να παρασκευαστεί με τη μορφή ινών, είτε λιώνοντας ένα ήδη συντιθέμενο πλαστικό και στη συνέχεια τεντώνοντάς το όσο είναι ακόμα ζεστό, είτε τραβώντας το καθώς πολυμερίζεται. Σε κάθε περίπτωση, το τελικό αποτέλεσμα είναι ένα νήμα πολυμερούς που αποτελείται από αλυσίδες με χιλιάδες άτομα άνθρακα, συν υδρογόνο, οξυγόνο και πιθανώς κάποιο άλλο στοιχείο.

Μόλις ληφθεί η βασική δομή της ίνας, το επόμενο βήμα είναι η ενανθράκωση του υλικού, δηλαδή εξαλείφονται όλα τα άλλα άτομα της δομής. Αυτό επιτυγχάνεται γενικά με θέρμανση των μπομπίνων από συνθετικές ίνες σε υψηλή θερμοκρασία, είτε υπό κενό είτε σε αδρανή ατμόσφαιρα (δηλαδή απουσία οξυγόνου).

Η διαδικασία κατασκευής αυτών των ινών ποικίλλει πολύ από τον έναν κατασκευαστή στον άλλο. Η ποιότητα και οι χημικές και μηχανικές ιδιότητες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη μέθοδο σύνθεσης και κατασκευής, πέρα ​​από τον τρόπο με τον οποίο οι ίνες συνυφαίνονται κατά την προετοιμασία των φύλλων που αργότερα θα σχηματίσουν το σύνθετο. Για το λόγο αυτό, τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα μπορούν να βρεθούν σε διαφορετικές παρουσιάσεις και με πολύ ποικίλα εύρη τιμών.

Laminate από ίνες άνθρακα

Οι ίνες άνθρακα μπορούν να εισαχθούν στην πλαστική μήτρα με τη μορφή φύλλων που περιέχουν ίνες μονής κατεύθυνσης, οι οποίες είναι στρατηγικά προσανατολισμένες για να ενισχύσουν το τελικό κομμάτι σε ορισμένες κατευθύνσεις. Η μηχανική αντίσταση των ινών εμφανίζεται βασικά κατά μήκος του άξονά της, επομένως εάν θέλετε να κατασκευάσετε ένα εξάρτημα που να είναι ανθεκτικό στην κάμψη σε διαφορετικές κατευθύνσεις, πρέπει απαραίτητα να εισαχθούν στο υλικό ίνες που διατρέχουν το τμήμα προς τις εν λόγω κατευθύνσεις.

Το τελευταίο γενικά επιτυγχάνεται με έναν από τους δύο τρόπους. Το πρώτο, που είναι το λιγότερο ακριβό, είναι να πάρουμε φύλλα στα οποία οι ίνες είναι όλες προσανατολισμένες προς την ίδια κατεύθυνση και να τα στοιβάζουμε σε διαφορετικούς προσανατολισμούς. Μια πολύ συνηθισμένη και αποτελεσματική επιλογή είναι η στοίβαξη τριών φύλλων τοποθετημένων σε γωνίες 0°, +60° και -60° μεταξύ τους. Αυτή η ρύθμιση επιτρέπει σχετικά ομοιόμορφη αντοχή προς όλες τις κατευθύνσεις με ελάχιστη διάταξη από ανθρακονήματα.

Μια άλλη πολύ συνηθισμένη επιλογή, αν και πολύ πιο ακριβή, είναι η χρήση φύλλων από ανθρακονήματα υφασμένα κάθετα, δηλαδή με τον ίδιο τρόπο που υφαίνονται οι κλωστές για την κατασκευή ενός πανιού. Το να περιέχει ίνες σε δύο κάθετες κατευθύνσεις ενισχύει ήδη το υλικό σε δύο κατευθύνσεις, αλλά η ύφανση προσθέτει το μεγάλο πλεονέκτημα ότι μειώνει δραστικά την τάση των φύλλων να χωρίζονται μεταξύ τους όταν το υλικό υπόκειται σε τάση και κάμψη, που είναι πολύ συνηθισμένος τύπος αποτυχίας σε αυτού του τύπου πλαστικοποιημένα υλικά.

Κατασκευή εξαρτημάτων με υψηλή αναλογία αντοχής προς βάρος ενώσεις CFRP ;

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα εξαρτήματα κατασκευάζονται με πλαστικοποίηση των ινών άνθρακα που είναι διάσπαρτα με κάποιο είδος ρητίνης, αλλά το γενικό σχήμα του εξαρτήματος δίνεται χρησιμοποιώντας καλούπια. Πράγματι, η διαδικασία κατασκευής αποτελείται από την έναρξη με ένα στρώμα ρητίνης στην εσωτερική επιφάνεια του καλουπιού, στη συνέχεια τοποθετείται ένα φύλλο ανθρακονήματος που θα είναι ορατό από το εξωτερικό, μετά ένα άλλο στρώμα ρητίνης και η διαδικασία επαναλαμβάνεται.

Στην περίπτωση της κατασκευής εξαρτημάτων που δεν απαιτούν ιδιαίτερα υψηλές δυνάμεις, συνήθως αρκεί να πιέζονται τα καλούπια ενώ σκληραίνει η ρητίνη και σε ορισμένες περιπτώσεις συνήθως θερμαίνεται επίσης. Ωστόσο, όταν πρόκειται για κρίσιμα μέρη που πρέπει να έχουν τη μέγιστη δυνατή αντίσταση, όπως μέρη της ατράκτου ενός αεροσκάφους ή τα φτερά ενός μονοθεσίου της Formula 1, τα εξαρτήματα πρέπει να υποβάλλονται σε κενό για να εξαλειφθούν τυχόν φυσαλίδες στη δομή που μπορεί να επηρεάσει την απόδοσή του.

Επιπλέον, σε αυτές τις περιπτώσεις τα τεμάχια επίσης συνήθως ανόπτονται σε αυτόκλειστο για να ωριμάσει η ρητίνη πιο γρήγορα. Αυτή η απαίτηση καθιστά πολύ ακριβή την κατασκευή εξαρτημάτων από ανθρακονήματα. Αυτό δεν σημαίνει ότι τα φύλλα από ανθρακονήματα είναι ήδη αρκετά ακριβά.

Αυτό το μειονέκτημα, καθώς και ορισμένα άλλα που σχετίζονται με την αγωγιμότητα του υλικού και τους πολλαπλούς τρόπους αστοχίας που είναι δύσκολο να μοντελοποιηθούν κατά τα στάδια σχεδιασμού εξαρτημάτων, σημαίνει ότι τα σύνθετα CFRP δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο μέγιστο των δυνατοτήτων τους σε πολλές βασικές εφαρμογές. Ένα παράδειγμα αυτού φάνηκε όταν η SpaceX εγκατέλειψε την πρόθεσή της να κατασκευάσει το επόμενο ναυαρχίδα της, το Starship, από ανθρακονήματα. Ήταν απλώς πολύ ακριβό και ανέφικτο να κατασκευαστεί ένα αυτόκλειστο αρκετά μεγάλο για να κατασκευάσει τα διάφορα εξαρτήματα του διαστημικού σκάφους, έτσι αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν ανοξείδωτο χάλυβα, που είναι μια ανορθόδοξη επιλογή στην αεροδιαστημική βιομηχανία.

Ιδιότητες των σύνθετων υλικών CFRP

Υπάρχουν πολλές μοναδικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών CFRP που αξιοποιούνται σε ποικίλες εφαρμογές. Κάποιοι από αυτούς είναι:

• Είναι ένα πολύ ελαφρύ και πολύ ανθεκτικό υλικό. Έχει πολύ υψηλότερη αναλογία αντοχής προς βάρος από τον χάλυβα και ακόμη και το τιτάνιο.
• Έχουν πολύ υψηλό συντελεστή ελαστικότητας-βάρους, επίσης υψηλότερο από οποιοδήποτε μέταλλο.
• Είναι ένα υλικό με υψηλή αντοχή στην κόπωση.
• Τόσο η πολυμερική μήτρα όσο και οι ίνες άνθρακα που περιέχει είναι χημικά αδρανείς, γεγονός που προσδίδει στα σύνθετα CFRP πολύ καλή αντοχή στη διάβρωση.
• Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του είναι πολύ χαμηλός, πράγμα που σημαίνει ότι τα μέρη που κατασκευάζονται από σύνθετα υλικά CFRP υφίστανται πολύ μικρή παραμόρφωση όταν θερμαίνονται ή ψύχονται.
• Έχουν ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ο γραφίτης είναι πολύ καλός αγωγός και οι ίνες άνθρακα είναι ουσιαστικά γραφίτης, επομένως οι ενώσεις που τις περιέχουν μεταφέρουν ηλεκτρισμό, ιδιαίτερα προς την κατεύθυνση των ινών. Ανάλογα με την εφαρμογή, αυτό μπορεί να είναι τόσο καλό όσο και κακό.

Εκτός από αυτές τις ιδιότητες, τα σύνθετα υλικά CFRP διαθέτουν επίσης ορισμένες πρόσθετες ιδιότητες που μπορεί να είναι μειονεκτικές ανάλογα με τη συγκεκριμένη εφαρμογή:

• Είναι ευαίσθητα στο υπεριώδες φως (UV). Το υπεριώδες φως είναι ικανό να προάγει μια μεγάλη ποικιλία χημικών αντιδράσεων από ελεύθερες ρίζες που αποικοδομούν τόσο τις περισσότερες πολυμερείς ρητίνες όσο και τις ίνες άνθρακα, καταστρέφοντας τις μηχανικές τους ιδιότητες. Αυτό συνήθως λύνεται με ένα στρώμα χρώματος που απορροφά την ακτινοβολία πριν φτάσει στην ένωση.
• Σε γενικές γραμμές, τα σύνθετα υλικά CFRP έχουν χαμηλή αντοχή στην κρούση.
• Όσον αφορά την αστοχία υλικού, όταν τα σύνθετα υλικά CFRP ωθούνται στο όριο της αντοχής τους, η αστοχία είναι συχνά καταστροφική επειδή οι ίνες άνθρακα είναι εύθραυστες. Οι τρόποι αστοχίας περιλαμβάνουν την αποκόλληση (όταν τα φύλλα των ινών χωρίζονται μεταξύ τους) και τη ρήξη της ίνας.

Οι ιδιότητες των σύνθετων υλικών CFRP είναι ανισότροπες.

Πρέπει να σημειωθεί ότι οι περισσότερες από τις προαναφερθείσες ιδιότητες των σύνθετων υλικών CFRP είναι ανισότροπες, πράγμα που σημαίνει ότι δεν είναι ομοιόμορφες σε όλο το υλικό και ότι εξαρτώνται από την κατεύθυνση στην οποία μετρώνται. Αυτό είναι συνέπεια του γεγονότος ότι αποτελούνται από διατεταγμένες ίνες που ακολουθούν σαφώς καθορισμένες οδηγίες. Κατά συνέπεια, τα χαρακτηριστικά του υλικού κατά μήκος αυτών των κατευθύνσεων είναι πολύ διαφορετικά από τα χαρακτηριστικά κατά τις διαφορετικές κατευθύνσεις.

Για παράδειγμα, ο συντελεστής εφελκυσμού ενός σύνθετου υλικού CFRP με 70% ίνες άνθρακα σε μια εποξειδική ρητίνη έχει τιμή μόνο 10,3 GPa στην κατεύθυνση κάθετη προς τις ίνες, ενώ στην αξονική ή διαμήκη διεύθυνση η ίδια μονάδα αξίζει 181 GPa. Η διαφορά στην αντοχή σε εφελκυσμό ή εφελκυσμό είναι ακόμη πιο δραματική, παρουσιάζοντας τιμή 40 MPa στην κατεύθυνση κάθετη προς τις ίνες ενώ στη διαμήκη διεύθυνση είναι 1.500 MPa, σχεδόν 40 φορές μεγαλύτερη. Τέλος, ο συντελεστής διαστολής αυτής της ένωσης είναι 112,5 φορές χαμηλότερος κατά μήκος των ινών από ό,τι στην κάθετη κατεύθυνση.

Κοινές εφαρμογές των σύνθετων υλικών CFRP

Παρά το γεγονός ότι τα σύνθετα υλικά CFRP χρησιμοποιούνται σε μια σειρά από προϊόντα υψηλής ποιότητας (επειδή είναι πολύ πιο ακριβό υλικό από τις περισσότερες άλλες επιλογές), τα σύνθετα CFRP χρησιμοποιούνται κυρίως σε τέσσερις βιομηχανίες:

στην αεροδιαστημική βιομηχανία

Η πρώτη φορά που αυτές οι ενώσεις χρησιμοποιήθηκαν στην κατασκευή αεροσκαφών ήταν τη δεκαετία του 1950 και η χρήση τους στη βιομηχανία έχει αυξηθεί μόνο. Τα μοντέλα αεροπλάνων 767 και 777 της Boeing περιέχουν 3% και 7% ενώσεις CFRP, αντίστοιχα. Σε αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκαν σε ορισμένα δομικά στοιχεία. Από την άλλη πλευρά, στην περίπτωση του νέου μοντέλου Boeing 787 Dreamliner, ολόκληρη η άτρακτος και τα φτερά είναι κατασκευασμένα από ανθρακονήματα και αυτό το υλικό αντιπροσωπεύει το 50% του βάρους και το 80% του όγκου του εν λόγω αεροσκάφους. Αυτή η τάση παρατηρείται και με άλλους κατασκευαστές αεροσκαφών.

Από την άλλη πλευρά, παρά το γεγονός ότι η SpaceX εγκατέλειψε τις ίνες άνθρακα για το Starship της, μια άλλη ιδιωτική αεροδιαστημική εταιρεία που ονομάζεται Rocket Lab μόλις ανακοίνωσε την κατασκευή του νέου πυραύλου της, του Neutron, ο οποίος θα είναι ένας επαναχρησιμοποιούμενος πύραυλος κατασκευασμένος εξ ολοκλήρου από ίνες άνθρακα.

Στην αυτοκινητοβιομηχανία

Εδώ και χρόνια τα ταχύτερα αγωνιστικά αυτοκίνητα στον κόσμο κατασκευάζονται με ανθρακονήματα. Αυτό δεν είναι μόνο μέρος του εξωτερικού, καθώς είναι το κύριο υλικό που σχηματίζει το αμάξωμα και τα φτερά που κρατούν τα αυτοκίνητα κολλημένα στο έδαφος καθώς επιταχύνουν, αλλά και στο πλαίσιο. Στην πραγματικότητα, μεταξύ 60% και 70% του δομικού βάρους ενός αυτοκινήτου της McLaren Formula 1 αποτελείται από ανθρακονήματα (αυτό δεν υπολογίζει τον κινητήρα, τους τροχούς και το κιβώτιο ταχυτήτων).

Στην περίπτωση των αυτοκινήτων για ιδιωτική χρήση, μόνο τα αυτοκίνητα υψηλότερης ποιότητας, όπως τα πολυτελή σπορ αυτοκίνητα, χρησιμοποιούν ανθρακονήματα σε κάποιο μέρος του αμαξώματος ή της δομής τους.

Ναυτική βιομηχανία

Τόσο το χαμηλό τους βάρος όσο και η υψηλή αντοχή στη διάβρωση καθιστούν τα σύνθετα υλικά CFRP ιδανικά για την κατασκευή σκαφών ελαφριάς χρήσης και σκαφών υπερταχείας. Ωστόσο, σήμερα χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο στην κατασκευή μεγαλύτερων σκαφών, συμπεριλαμβανομένων σκαφών αναψυχής και πλοίων για επαγγελματική χρήση.

Εκτός από τη χημική αντοχή που απαιτεί λιγότερη συντήρηση, η εξοικονόμηση βάρους είναι ένας από τους κύριους λόγους για τους οποίους αυτό το υλικό διεισδύει στη βιομηχανία, αντικαθιστώντας άλλες επιλογές όπως το αλουμίνιο, ο χάλυβας, ακόμη και άλλες πολυμερείς ενώσεις όπως το fiberglass.

Σε υψηλά ανταγωνιστικά αθλήματα

Μία από τις πιο κοινές και εμφανείς εφαρμογές των ανθρακονημάτων στον αθλητισμό είναι η κατασκευή σκελετών ποδηλάτων υψηλής απόδοσης. Ανεξάρτητα από τον κλάδο της ποδηλασίας, είτε ποδηλασία βουνού, κατάβαση ή δρόμου για τον Γύρο της Γαλλίας, τα καλύτερα ποδήλατα είναι κατασκευασμένα σχεδόν εξ ολοκλήρου από ανθρακονήματα.

Από την άλλη πλευρά, οι ίνες άνθρακα είναι επίσης πανταχού παρόντες σε λεπτά δομικά στοιχεία που πρέπει να είναι πολύ ανθεκτικά, όπως μπαστούνια γκολφ υψηλής ποιότητας, καλάμια ψαρέματος, ρακέτες τένις, ακόμη και ρακέτες πινγκ-πονγκ ή πινγκ πονγκ.

βιβλιογραφικές αναφορές

Boeing 787 Dreamliner – μια επισκόπηση . (ν). Science Direct. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/boeing-787-dreamliner

Barta, C. (2018, 15 Οκτωβρίου). Ίνα άνθρακα: Πληροφορίες, Δομή και Ιδιότητες . CarboSystem. https://carbosystem.com/fibra-de-carbono-2/

Gardiner, G. (2010, 30 Νοεμβρίου). Γιατί CFRP; CompositesWorld. https://www.compositesworld.com/articles/why-cfrp

Giurgiutiu, V. (2016, 1 Ιανουαρίου). Παρακολούθηση Δομικής Υγείας Σύνθετων Υλικών Αεροδιαστημικής . Science Direct. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780124096059000015

Kopeliovich, D. (2012a, 2 Ιουνίου). Σύνθετα πολυμερών ενισχυμένα με ίνες άνθρακα [SubsTech] . SubsTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=carbon_fiber_reinforced_polymer_composites

Gomez, JL (2021, 23 Σεπτεμβρίου). Τι είναι το ανθρακονήματα, αυτό το υλικό που από μόνο του είναι άχρηστο και αυτό με τη ρητίνη αξίζει τα πάντα . Diariomotor.com. https://www.diariomotor.com/que-es/tecnologia/fibra-de-carbono/

Kopeliovich, D. (2012b, 3 Ιουνίου). Epoxy Matrix Composite ενισχυμένο με 70% ίνες άνθρακα [SubsTech] . SubsTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=epoxy_matrix_composite_reinforced_by_70_carbon_fibers

McLaren. (2020, 5 Ιουνίου). Μια συναρπαστική ιστορία ανθρακονημάτων . McLaren Racing. https://www.mclaren.com/racing/car/fascinating-story-carbon-fibre-1654987/

López, JC (2019, 30 Ιουνίου). Ανθρακονήματα: τι είναι και γιατί είναι τόσο ελκυστικό για τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης όσο για την αεροναυπηγική ή. . . Xataka. https://www.xataka.com/investigacion/fibra-carbono-que-que-atractiva-para-electronica-consumo-como-para-aeronautica-automocion

Zhao, Q., Zhang, K., Zhu, S., Xu, H., Cao, D., Zhao, L., Zhang, R., & Yin, W. (2019). Ανασκόπηση σχετικά με την ηλεκτρική αντίσταση/αγωγιμότητα του πολυμερούς ενισχυμένου με ίνες άνθρακα. Applied Sciences , 9 (11), 2390. https://www.mdpi.com/2076-3417/9/11/2390/htm