Az ipari forradalom kezdetén a könnyű anyagok (fa) meghatározó szerkezeti elemek voltak, amelyeket fokozatosan a vas/acél ötvözetek váltották fel.

A korszerű gépészeti szerkezetek a múlt század közepéig túlnyomó részben a különböző acélötvözetek voltak. A repülőgép fejlesztések kezdetén a könnyűség elérésére jellemző volt a fa és textilszerkezetek használata, amit 1920-tól a könnyűfémek (AL) váltottak fel.

Az 1970-es évektől az elektronikai berendezések alkalmazásával a gépek teljesítménye gyorsan növekedett. A teljesítmények további növelését azonban a nehéz acélötvözetek szilárdsági tulajdonságai nem tették lehetővé. A könnyű, nagy specifikus mechanikai tulajdonságú kompozitok egyre szélesebb körű használatával a teljesítmények ugrásszerű növelése vált lehetővé. Az energia-csökkentés és a környezetvédelem is a könnyű, nagy teljesítményű szerkezeti anyagok egyre szélesebb körű alkalmazását motiválja.

Kompozitot két vagy több lényegesen különböző tulajdonságú anyagból, az erősítő szálakat, részecskéket tervezett elrendezéssel mátrixba (polimer, kerámia, fém) ágyazva készítik. A kompozitokban a kiinduló anyagok elkülönülve maradnak, a mátrix a szálakkal a nagy fajlagos felületén kapcsolódnak. A komponensek előnyös tulajdonságainak érvényesítésével új, a felhasználási igényeknek megfelelő, kiváló tulajdonságú szerkezeti anyagok készíthetők. A kompozit erősítőként nagyobb volumenben az üvegszálat, míg a kulcsfontosságú területeken a szénszálat használják.

A szénszál ipari alkalmazása 1970-től kezdődött, túlnyomó részben PoliAkrilNitril (PAN) szintetikus szálból (prekurzor) állítják elő (~95% széntartalom). A feszes szálakat első lépésben kemencéken átvezetve oxidálják (~250 ⁰C) (OPAN), második lépésben hidrogén közegben szenesítik (~1500 ⁰C) (szénszál), további magasabb hőmérsékletű (3000⁰C) kemencén átvezetve grafitszál készíthető.

A kemencékből kilépő szálak felületét aktiválják, kémiai anyagokat visznek fel a további feldolgozás, a mátrixszal kapcsolódás elősegítésére. A sodratlan filament szálkábelt (Tow) keresztcséve formában kiszerelik. A kábeleket, a szálszámmal (K→1000) (2K, 3K, 6K 12K 24K → kis kábel, vagy 50K, 300K → nagy kábel) jelölik. A szénszál a száltengely irányába elrendezett méhsejt alakú szénrácsokból áll.

Egy szénrács sík a Grafén (2004), amely 0,3 nm vastagságú, kimagaslóan nagy szilárdságú és nyúlású. Az egy szénrács alkotta csőforma a Nanotube. A Grafén és a Nanotube a kompozitok erősítésére és az elektronikai alkalmazások területén ígéretes jövő előtt állnak.

A szálas formájú anyagok (az átmérőhöz viszonyított hosszúság nagyságrendekkel nagyobb, a szálátmérő csökkentésével a volumenhez viszonyított fajlagos szálfelület növelhető) mechanikai tulajdonságai a tömbformához viszonyítva megnövekszik. A szilárdság növekedését a polimerek esetén a folyékony anyagból a szálhúzást követően a lehűlési szakaszban a nyújtással a láncmolekulák a száltengely irányba rendeződése adja, de nyúlás csökken. Az üveg és a fémek szálforma kialakításával a nagyobb szilárdság a megszilárdulás közbeni nyújtással és a nagy fajlagos szálfelületen az egyenletesebb hűtéssel érhető el.

A szálak hajlékonyak (különösen a kis átmérőjűek), emiatt jól alakíthatók, a bonyolultabb szerkezetek a forgácsoláshoz viszonyítva olcsóbban, egyszerűbben alakíthatók ki. A szénszál sűrűsége ρ = 1,8 g/cm³, átmérője d = 7 μm, specifikus szilárdsága 10-szerese az acélnak (σ*= 200 – 350 km), kis nyúlásának (ε% = 1-1,5) köszönhetően nagy merevségű. A specifikus mechanikus tulajdonságokkal a különböző fajsúlyú (sűrűségű) szerkezeti anyagok reálisan összehasonlíthatók, a szilárdságot, a merevséget az anyag súlyára (tömegére) vonatkoztatják (km) a mérnöki gyakorlatban korábban használt felületre vonatkoztatás helyett (Pa).

A szénszál az elektromosságot és a hőt vezeti. Törékeny, feldolgozására, kezelésére sajátos technológiákat fejlesztenek.

A szerkezet nagy merevségének elérésére a kompozitokban a szálak egyenes helyzetére törekednek (NCF – None Crimped Fabric), a kábeleket fektetik. A szálak egyenes elrendeződésén túlmenően a kábelek a felhasználási igényeknek megfelelően irányítottan fektethetők (UD – egyirányú, BD – kétirányú, MD – többirányú), és a kezelhetőség elősegítésére a síkba fektetett anyagot összekapcsolják, stabilizálják.

Sajátos technológia a kábel terítése, amely a szálak mátrixszal átitatását elősegíti, az egyenletesebb szálelrendeződés kialakítása, a szövetben a fonalrendszer kereszteződése kisebb görbületű. Átlátszó mátrixba ágyazással dekorációs célú eszközök gyártására is kiváló lehetőséget biztosít.

A megfelelően kialakított és elrendezett szálstruktúrát a folyékony mátrixba (hőre keményedő vagy hőre lágyuló) ágyazzák, átitatják és kikeményítik. A kompozit gyártását, a szálak folyékony mátrixszal átitatására a végterméktől függően többféle eljárást (tekercselés, pultrúzió, vákuum infúzió, RTM, 3D nyomtatás, stb.) dolgoztak ki.

A kompozitok könnyű anyagok (ρ = 1,4 – 2 g/cm³), a mechanikai tulajdonságok (erősítő szál fajtája, elrendezése, a mátrix anyaga, a szál mátrix aránya, mag szerkezet beillesztése (hab, méhsejt, balsafa, stb.) az igénybevételeknek megfelelően alakíthatók ki.

A kompozitok könnyű, bonyolult kialakítású szerkezetek gyártását teszik lehetővé, kiváló lengéscsillapítók, kifáradással szemben ellenállók. A filament kábel erősítésű szálak a mechanikai igényeknek megfelelő irányba helyezhetők el, emiatt nagyobb értékű szerkezetek gyártását teszik lehetővé. A rövid szálerősítő, hőre lágyuló mátrixú szálak fröccsöntéssel bonyolult szerkezetek olcsó gyártását teszik lehetővé, de a mechanikai jellemzők értékei alacsonyabbak.

A szénszál árának csökkenése, a kompozit gyártási technológiák fejlődésének köszönhetően egyre több területen gazdaságosan alkalmazhatók.

A szénszál erősítésű kompozitok (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer) főbb felhasználási területe:

• a nagy értékű űr-, repülő- és hadiipar,
• sporteszközök,
• ipari felhasználás széleskörű, gyorsan növekvő, nagy volumenű.

Szélenergia gazdaságos hasznosítására a széllapátok méretét (Lapáthossz l=140 m, Teljesítmény P = 18 MW) növelik. A széllapátra ható nagy erők okozta deformáció, a széllapát súlyának csökkentésére a lapátokat UD (egy irányba fektetett) szénszál erősítésű kompozitokkal merevítik.

Hidrogén hajtás estén a nagy nyomású hidrogén tartályt (p = 700 bar) szélkábellel körültekerve (1 kg H₂ gázhoz 10 kg szánszálat használnak) szilárdítják, ezáltal a tartály súlynövekedése mérsékelhető.

Járművek területén a prémium kategóriájú autókban egyre nagyobb volumenben több irányba fektetett (MD) CFRP-t alkalmaznak a nagyobb fajlagos energiaelnyelés megvalósulására. A szénszál és a szénszálas kompozit is törékeny, de a rideg törésnél a roncsolódási közbeni ütközési erőcsúcs kisebb, mint a fémek kihajlása estén.

Jelenleg a polimer mátrixú kompozitok gyártási mennyisége 12,7 Mt/év, az évenkénti növekedés 6% körüli.  A szénszál erősítésű kompozitok a kimagasló tulajdonságaiknak köszönhetően a 10%-ot is meghaladja.

A szénszál fejlesztésében, gyártásában Japán járt az élen, a szénszál és kompozit gyártásában Japán, USA és Európa (Nyergesújfalu) járt az élen. Napjainkban a szénszál gyártása, feldolgozása területén Kína válik dominánsá.

A kiragadott alkalmazási példák is jól mutatják, hogy a kompozitok alkalmazása fényes jövő előtt áll, nagy volumenű, széleskörű használatra számíthatnak.

szerzők: dr Papp-Vid Dóra – Szabó Rudolf, Óbudai Egyetem Rejtő Sándor Könnyűipari és Környezetmérnöki Kar

Ha feliratkozik a Műszaki Magazin Hírlevelére, sosem marad le a híreinkről! További friss híreket talál a Műszaki Magazin főoldalán! Csatlakozzon hozzánk a Facebookon is!