Karbonová vlákna F1,Formule 1, construct, konstrukce

Karbonová vlákna

M.Horváthová | 28.6.04 | M. Horváthová

V sedemdesiatych rokoch sa v konštrukcii používal najmä hliník, no ten nemal dostatočnú pevnosť ............

V sedemdesiatych rokoch sa v konštrukcii používal najmä hliník, no ten nemal dostatočnú pevnosť – nebol odolný voči prítlaku. Tak tento neželezný kov bol nahradený kompozitmi – karbónovými vláknami.

Pevnosť vlákna je vždy významne väčšia než pevnosť rovnakého materiálu v kompaktnej forme. Príčinou je:
- malý priečny prierez vlákien
- prednostné nasmerovanie pevných kovalentných medziatómových väzieb v smere podĺžnej osy vlákna

Najväčší modul pružnosti majú vlákna s kovalentne viazanými atómami, u ktorých sú najhustejšie obsadené roviny kryštalickej mriežky orientované paralelne s osou vlákna. Také vlákna sú silno anizotropné, tj. ich vlastnosti v smere osy a kolmo na ňu sa významne lísia.

Obr. 01

KARBÓNOVÉ VLÁKNA
Vyrábajú sa z vlákien polyakrylonitrilu (PAN) alebo z mezofázových smôl, upravených zbytkov po destilácii ropy. Najviac sa používa výroba z vlákien polyakrylonitrilu (PAN).

Teoretická pevnosť grafitového monokryštálu namáhaného ťahom v smere rovnobežnom s bazálnymi rovinami činí asi 100 GPa a teoretický modul pružnosti v ťahu zhruba 1000 GPa.

Vysoká pevnosť a tuhosť aromatických rovín je využitá v uhlíkových vláknach, ak roviny sledujú smer rovnobežný s pozdĺžnou osou vlákna.

Vysokú pevnosť vlákien (dnes až 7000 MPa) zaručujú jemné mikrokryštály a minimálne množstvo defektov medzi nimi. Rozmery mikrokryštálov uhlíkových vlákien z PAN je možno rozdeliť do troch etáp:
1. pri teplotách 220 až 300 ?C, za pôsobenia ťahového napätia a v oxidačnom prostredí je PAN vlákno stabilizované. Vlákno pri tejto etape zčernie a stane sa netaviteľným.
2. pri teplotách od 1000 do 1500 ?C vo vlákne prebehne karbonizácia (odstráni sa vodík a zníži obsah dusíku a kyslíku, 80 až 95 % hmoty troví uhlík). Vlákno dosiahne maximálnu pevnosť v ťahu)
3. pri teplotách od 1800 do 3000 ?C prebehne tzv. grafitizácia. Zvýši sa obsah uhlíku a umožní sa vznik dokonalejších mikrokryštálov.

Obr. 02 - Grafitická štruktúra pre PAN-základ karbónového vlákna s 400 GPa

VLASTNOSTI:
- modul pružnosti výrazne menší, na úrovni hodnôt polykryštalického grafitu
- krehkosť – vyššia krehkosť vlákien sa prejavuje i pri ohybe
- pri ohreve sa vlákno skracuje
- dobrá až veľmi dobrá tepelná vodivosť
- dobrá elektrická vodivosť

Obr. 03

Obr. 04

Obr. 05

POUŽITIE V F1: Momentálne sú karbónové vlákna veľmi využívaným materiálom v F1. Má vysokú pevnosť, odolnosť, žiaruvzdornosť a ku všetkému je ešte aj ľahký. Zvyčajne prvou časťou auta, ktorá sa vyrába je šasi. Na dosiahnutie hrúbky 1 mm uložíme tri až štyri vrstvy karbónových vlákien. Tiež sa používajú na výrobu bŕzd – vyššia účinnosť. Volant – vyrába sa z karbónových vlákien, titánu, hliníka, ocele, gumy a plastov. Takisto sa z karbónových vlákien vyrábajú sedadlá, prilby...

Monika Horváthová