„Czy warto zrobić to z carbonu?” — to pytanie zadaje sobie każdy konstruktor, który szuka oszczędności masy. Odpowiedź nie zawsze brzmi „tak”. Włókno węglowe ma ogromne zalety, ale też ograniczenia, których nie mają metale. Poniżej porównanie carbonu, aluminium i stali — uczciwie, z liczbami i z uwagami, o których rzadko się mówi.
Porównanie właściwości (orientacyjnie)
| Cecha | Laminat węglowy (CFRP) | Aluminium | Stal |
|---|---|---|---|
| Gęstość | ok. 1,5–1,6 g/cm³ | ok. 2,7 g/cm³ | ok. 7,85 g/cm³ |
| Moduł sprężystości | ok. 45–60 GPa (laminat quasi-izotropowy), ponad 120 GPa wzdłuż włókien (UD) | ok. 70 GPa | ok. 210 GPa |
| Wytrzymałość na rozciąganie | ok. 500–800 MPa (quasi-izotropowy), znacznie więcej wzdłuż włókien | ok. 300–570 MPa (popularne stopy konstrukcyjne) | ok. 360–630 MPa (stale konstrukcyjne), stale wysokowytrzymałe znacznie więcej |
| Rozszerzalność cieplna | bliska zeru wzdłuż włókien | duża | średnia |
| Korozja | nie koroduje | odporne, ale wrażliwe na korozję galwaniczną | wymaga zabezpieczenia |
| Zachowanie przy przeciążeniu | kruche zniszczenie, bez wyraźnego odkształcenia | plastyczne odkształcenie | plastyczne odkształcenie |
| Naprawa | możliwa przez dolaminowanie | spawanie (ograniczone przy niektórych stopach) | spawanie |
Wartości orientacyjne — w kompozycie zależą od rodzaju włókna, żywicy, udziału włókna i układu warstw, a w metalach od stopu i obróbki.
Gdzie carbon ma największą przewagę?
Najciekawsza liczba to nie sama wytrzymałość, tylko jej stosunek do masy. Laminat węglowy jest kilka razy lżejszy od stali i blisko dwa razy lżejszy od aluminium, a przy tym bardzo wytrzymały — dlatego w przeliczeniu na kilogram wyraźnie wygrywa z metalami pod względem wytrzymałości.
Ze sztywnością jest ciekawiej. Laminat, w którym włókna ułożono równo we wszystkich kierunkach (quasi-izotropowy), ma sztywność w przeliczeniu na masę podobną do aluminium i stali. Prawdziwa przewaga carbonu pojawia się wtedy, gdy włókna ułożone są zgodnie z obciążeniem — wtedy element może być kilkukrotnie sztywniejszy przy tej samej masie. Dlatego dobry element z carbonu to nie „metal z innego materiału”, tylko konstrukcja zaprojektowana pod kompozyt (więcej: projektowanie części z kompozytu).
Kiedy wybrać carbon?
- masa ma znaczenie — elementy ruchome, sprzęt sportowy, pojazdy, drony,
- potrzebna jest wysoka sztywność w określonym kierunku,
- element pracuje w środowisku korozyjnym,
- liczy się stabilność wymiarowa przy zmianach temperatury,
- kształt jest złożony, a jego wykonanie z metalu wymagałoby wielu części i połączeń,
- wygląd splotu carbon jest częścią produktu.
Kiedy lepiej zostać przy metalu?
- element jest narażony na silne uderzenia punktowe i ścieranie,
- masa nie ma znaczenia, a liczy się niski koszt,
- potrzebne są gwinty, powierzchnie ślizgowe lub pasowania — w kompozycie wymagają one wklejanych elementów metalowych,
- element pracuje w wysokiej temperaturze, przekraczającej możliwości żywicy (więcej: żywice do kompozytów),
- potrzebne jest „ostrzegawcze” odkształcenie przed zniszczeniem.
Połączenie carbonu z metalem
Często najlepszym rozwiązaniem jest konstrukcja mieszana: kompozyt tam, gdzie liczy się masa i sztywność, metal w miejscach montażu, gwintów i ścierania. Trzeba wtedy pamiętać o izolacji carbonu od aluminium — w obecności wilgoci powstaje ogniwo galwaniczne, które przyspiesza korozję aluminium. Najprostszą izolacją jest warstwa włókna szklanego (zobacz tkaniny hybrydowe).
A koszt?
Przy prostych kształtach i pojedynczych sztukach metal jest zwykle tańszy. Kompozyt może być konkurencyjny przy złożonych kształtach, krótkich seriach i tam, gdzie mniejsza masa przekłada się na zyski w eksploatacji — np. szybszy cykl maszyny czy mniejsze zużycie energii. Więcej o cenach: ile kosztuje element z włókna węglowego.
Najczęstsze pytania
Czy carbon jest mocniejszy od stali?
W przeliczeniu na masę — zdecydowanie tak. W wartościach bezwzględnych zależy to od gatunku stali i układu włókien. Carbon inaczej też się niszczy — bez wyraźnego odkształcenia.
Ile masy można zaoszczędzić, zamieniając aluminium na carbon?
Zależy to od elementu i obciążeń. Przy dobrze zaprojektowanej konstrukcji oszczędność bywa znacząca, ale prosta zamiana materiału bez zmiany konstrukcji zwykle daje mniejszy efekt, niż się oczekuje.
Czy carbon rdzewieje lub koroduje?
Nie. Może jednak przyspieszać korozję aluminium, z którym się styka, dlatego połączenia wymagają izolacji.