2011-Aston-Martin-V8-Vantage-S-Carbon-Fiber-1280x960

Το υλικό των ονείρων κάθε petrolhead. Η γκρι/μαύρη φαντασίωση κάθε κολλημένου. Ανθρακονήματα. Carbon Fiber.Carbon Fiber Reinforced Polymer για την ακρίβεια. Ένα υλικό που ψηφίστηκε από την National Academy of Engineering ως ένα από τα σημαντικότερα επιτεύγματα του 20ου αιώνα αλλά και ένα υλικό που μόλις τα τελευταία χρόνια άρχισε να χρησιμοποιείται ευρέως από την βιομηχανία αυτοκινήτου. Τι είναι όμως; Γιατί είναι τόσο καλό; Είναι ένα ή υπάρχουν διαφορετικοί τύποι; Όλα αυτά και άλλα πολλά, ελπίζω να απαντήσω σε αυτό το άρθρο. Γιατί ενώ τα ανθρακονήματα είναι ένα υλικό που χωρίς αμφιβολία θα μας απασχολήσει στο εγγύς μέλλον λόγω της ευρύτερης κυκλοφορίας του, η αλήθεια είναι ότι δεν γνωρίζουμε πολλά γι’ αυτό.

DSC_0824

Πρώτα απ’ όλα, τι είναι οι ίνες άνθρακα; Είναι ένα συνθετικό υλικό. Με πολύ απλά λόγια, αυτό σημαίνει ότι είναι ένα υλικό που αποτελείται από δύο ή περισσότερα διακριτά μέρη, ούτως ώστε να έχει σημαντικά καλύτερα ποιοτικά χαρακτηριστικά από τα επιμέρους συστατικά του! Οι ίνες άνθρακα ειδικότερα, κατασκευάζονται πολυμερικές ίνες πολυακρυλονιτριλίου (PAN), ίνες τεχνητής μέταξας (rayon) ή  πίσσα. Οι ίνες PAN, που σημειωτέον ότι είναι η πιο δημοφιλής πρώτη ύλη για ίνες άνθρακα αυτή τη στιγμή, κατασκευάζονται σε τρία στάδια, με διαδοχικές φάσης θερμικής και χημικής επεξεργασίας που ξεκινά από την οξείδωση τους σε χαμηλή θερμοκρασία (100-200ο C) και καταλήγει στην γραφιτίαση που συμβαίνει σε θερμοκρασίες που μπορεί να φτάσουν τους 2500-3000ο C. Υπόψιν, μιλάμε για τις ίνες άνθρακα. Αυτές συνδυάζονται στη συνέχεια με την εποξική ρητίνη για να δημιουργηθούν αυτό που ονομάζουμε απλοϊκά “ανθρακονήματα” – το συνθετικό υλικό. Μόνο και μόνο από τις 2 γραμμές που έγραψα για την παραγωγή των ινών άνθρακα, μπορείς να καταλάβεις γιατί το κόστος των ανθρακονημάτων είναι τόσο υψηλό!

Μία ίνα άνθρακα σε σύγκριση με μία ανθρώπινη τρίχα
Μία ίνα άνθρακα σε σύγκριση με μία ανθρώπινη τρίχα

Η ιστορία των ινών άνθρακα, ξεκινά από τα τέλη του 19ου αιώνα! Ναι, τόσο πίσω! Ο Thomas Edison ήταν αυτός που χρησιμοποίησε ίνες άνθρακα στους πρώτους λαμπτήρες πυράκτωσης όμως αυτές που χρησιμοποίησε ο Edison δεν έχουν καμία σχέση με τα ανθρακονήματα όπως τα γνωρίζουμε σήμερα. Για να μπούμε στην σύγχρονη εποχή των ανθρακονημάτων, πρέπει να κάνουμε fast forward αρκετά χρόνια – συγκεκριμένα, μέχρι το 1958, όταν ο Roger Bacon παρουσίασε στον κόσμο τις πρώτες ίνες άνθρακα “υψηλών επιδόσεων”. Αν θέλουμε να εστιάσουμε στα αυτοκίνητα, το “Gulf” Ford GT40 του 1968 που χρησιμοποίησε ίνες άνθρακα για να ενισχύσει ορισμένα μέρη του αμαξώματος. Από εκεί και πέρα, η McLaren MP4/1 θεωρείται το πρώτο μονοθέσιο F1 με ανθρακονημάτινο monocoque ενώ η McLaren F1 ήταν το πρώτο αυτοκίνητο παραγωγής με ανθρακονημάτινο monocoque.

Το να αναφερόμαστε όμως στα “ανθρακονήματα” λες και μιλάμε μόνο για έναν “τύπο” ανθρακονημάτων, είναι λάθος. Η λέξη ανθρακόνημα θα μπορούσε να συγκριθεί με την λέξη κράμα όσον αφορά στην ασάφεια. Ναι, σου δίνει μία γενική ιδέα για το υλικό, αλλά δεν παρέχει επιπλέον πληροφορίες. Δεν σου λέει για παράδειγμα αν οι ίνες άνθρακα είναι 1K, 2K, 6K, 24K κ.ο.κ. (εννοώντας x χιλιάδες ίνες άνθρακα σε κάθε δεσμίδα). Δεν είναι όλα τα ανθρακονήματα ίδια. Δύο σημαντικοί παράγοντες για παράδειγμα, είναι το μέτρο και η αντοχή εφελκυσμού. Η λέξη “ανθρακονήματα” δεν σου λέει αν το τελικό προϊόν σχηματίστηκε από ίνες Ultra-High Modulus (UHM) ή High Modulus ή αν θέλουμε να περιπλέξουμε τα πράγματα, HT (Low Modulus and High Tensile). Και ακόμα, είμαστε επί της ουσίας στην πρώτη ύλη…

3383124_orig
Unidirectional στα αριστερά, twill στο κέντρο, plain στα δεξιά

Από εκεί και πέρα, αυτή ακριβώς η πρώτη ύλη θα “πλεχθεί” σε ύφασμα και η λέξη ανθρακονήματα δεν σου περιγράφει την πλέξη. Άλλες οι ιδιότητες της unidirectional πλέξης και άλλες της biredictional. Στην unidirectional, οι ίνες πλέκονται η μία παράλληλα με την άλλη με ορισμένες κάθετες στην πλέξη ίνες αποκλειστικά και μόνο για να ευθυγραμμίζονται οι κύριες ίνες. Αυτού του είδους η πλέξη προσφέρει κορυφαία αντοχή σε εφελκυσμό αλλά μόνο στην κατεύθυνση των ινών. Προς οποιαδήποτε άλλη κατεύθυνση, όχι και τόσο! Από την άλλη, η bidirectional πλέξη, έχει τις ίνες κάθετες η μία στην άλλη ώστε η αντοχή σε εφελκυσμό να είναι –περίπου– η ίδια σε δύο άξονες. Ακόμα και αυτή όμως, έχει υποκατηγορίες. Μπορεί η πλέξη να είναι 2/2 Twill ή απλή… ανάλογα με την χρήση του εξαρτήματος που θα κατασκευαστεί από ανθρακονήματα, χρησιμοποιείται “διαφορετικό” υλικό. Πολλές φορές όμως, τοποθετούνται πολλαπλά στρώματα unidirectional ή/και birectional υφασμάτων σε ενδιάμεσες γωνίες για να πετύχουμε την καλύτερη δυνατή κάλυψη.

Και ακόμα δεν έχουμε πιάσει το έτερον ήμισυ των CFRP… την ρητίνη! Γιατί αν το τελικό προϊόν που ονομάζουμε ανθρακονήματα είναι το μπετόν αρμέ, τότε οι ίνες άνθρακα είναι ο οπλισμός και η ρητίνη το σκυρόδεμα! Είναι αυτή που θα “δέσει” το ύφασμα στο επιθυμητό σχήμα και θα δώσει το τελικό αποτέλεσμα. Δύο είναι οι ρητίνες που χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή ανθρακονημάτων και όπως φαντάζεσαι, κάθε μία επηρεάζει σημαντικά την ποιότητα του CFRP. Η πρώτη κατηγορία, είναι αυτή των πολυεστερικών ρητίνων. Φθηνότερες και πιο εύχρηστες και γι’ αυτό κάποιοι τις προτιμούν. Όμως οι πολυεστερικές ρητίνες είναι λιγότερο εύκαμπτες όταν στερεοποιηθούν. Απαιτείται μεγαλύτερη ποσότητα ρητίνης, κάτι που οδηγεί σε βαρύτερο τελικό προϊόν. Σε βάθος χρόνου, η ρητίνη θα συρρικνωθεί –έστω και ελάχιστα– και θα αλλάξει το σχήμα του προϊόντος και τέλος, δεν η συγκεκριμένη κατηγορία δεν παρέχει κανενός είδους προστασία από τις υπεριώδεις ακτινοβολίες. Από την άλλη, υπάρχουν οι εποξικές ρητίνες… ή όπως ισχυρίζονται πολλοί, η μοναδική σωστή κατηγορία. Οι εποξικές ρητίνες είναι πολύ πιο εύκαμπτες, δεν συρρικνώνονται, προσφέρουν τελικό προϊόν με σαφώς καλύτερη εμφάνιση και προστατεύουν το τελικό προϊόν από τις υπεριώδεις ακτινοβολίες. Σε γενικές γραμμές και χωρίς να μπαίνουμε σε λεπτομέρειες, οι εποξικές ρητίνες είναι αντικειμενικά και τεκμηριωμένα καλύτερες από τις πολυεστερικές με τις τελευταίες να χρησιμοποιούνται κατά κανόνα σε υποδεέστερα ή/και φθηνότερα προϊόντα.

overlaid12

Έχουμε το ύφασμα, έχουμε τη ρητίνη, έχουμε τον όποιο καταλύτη με τον οποίο δεν θα ασχοληθούμε καθόλου και το καλούπι, οπότε πάμε να κάνουμε κάτι. Πάμε να δημιουργήσουμε ένα CFRP εξάρτημα. Πώς; Καλή ερώτηση. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι. Πάρα πολλές μέθοδοι που για να τις αναλύσουμε σε αυτό το κείμενο, θα μας πάρει μέχρι την άλλη εβδομάδα… Να εστιάσουμε σε κάποιες για να μην χαθεί εντελώς η μπάλα και μετά ποιος τρέχει να την μαζέψει. Η πρώτη μέθοδος, είναι η πατροπαράδοτη: με το χέρι! “Στεγνά” ή prepreg στρώματα ανθρακονημάτων –prepreg είναι τα ανθρακονήματα που έρχονται έτοιμα με τη ρητίνη τους– στρώνονται με το χέρι. Στην πρώτη περίπτωση υφάσματος, τοποθετείται και η ρητίνη και αφήνονται να στερεοποιηθούν. Αυτό μπορεί να γίνει είτε σε θερμοκρασία δωματίου, είτε αν μιλάμε για high-end εξαρτήματα, σε κλιβάνους υπό κενό. Τα τελευταία χρόνια, υπάρχει μία πρόοδος στην OOA –out-of-autoclave– μέθοδο με την εξέλιξη νέων ρητινών που στερεοποιούνται χωρίς να απαιτούν κενό, σε υψηλές θερμοκρασίες ή ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου.

rt-resin-transfer-mold

Η δεύτερη μέθοδος ονομάζεται RTM –resin transfer molding. Σε ένα κλειστό καλούπι, τοποθετούνται τα ανθρακονήματα και στη συνέχεια, υπό χαμηλή έως μέση πίεση, διοχετεύεται η ρητίνη που για την συγκεκριμένη περίπτωση, αποτελείται από δύο μέρη που αναμιγνύονται ακριβώς πριν την είσοδο στο καλούπι. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί φθηνότερα υλικά, δεν απαιτεί την ύπαρξη κλίβανου ούτε ώρες χειρονακτικής εργασίας ενώ σχετικά πρόσφατες εξελίξεις όπως το HP-RTM –high pressure resin transfer molding- μπορούν να οδηγήσουν σε μαζικότερη και φθηνότερη παραγωγή εξαρτημάτων για αυτοκίνητα.

12041_16272_ACT

Η τρίτη μέθοδος, λέγεται SMC –sheet molding compound. Είναι μία μέθοδος για μαζική παραγωγή που χρησιμοποιεί όμως πανάκριβα μεταλλικά καλούπια. Επί της ουσίας, κομμένες ίνες άνθρακα αναμιγνύονται με την ρητίνη. Σκέψου κάτι σαν μία high-tech εκδοχή του παπιέ μασέ. Από αυτό το μίγμα, δημιουργείται ένα “φύλλο” το οποίο πηγαίνει στα καλούπια όπου και στερεοποιείται υπό σχετικά υψηλή θερμοκρασία και πολύ υψηλή πίεση. Σαν κατασκευή, δεν απέχει πολύ από το “σταμπάρισμα” μεταλλικών εξαρτημάτων και γι’ αυτό –αν περιοριστεί το κόστος και βρεθούν λύσεις για κάποια εγγενή προβλήματα του τελικού προϊόντος- είναι μία μέθοδος που εξετάζεται σοβαρά για την μαζική παραγωγή CFRP εξαρτημάτων που δεν υποβάλλονται σε υψηλά φορτία. Γιατί η SMC μέθοδος δεν δίνει εξαρτήματα με την ακαμψία και την αντοχή εξαρτημάτων που κατασκευάστηκαν με το χέρι από prepreg ανθρακονήματα ή εξαρτημάτων που προέκυψαν από RTM.

Πριν ολοκληρώσω, αξίζει μία αναφορά στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των ανθρακονημάτων. Τα πλεονεκτήματα είναι σε μεγάλο βαθμό γνωστά. Πρώτα απ’ όλα, η ακαμψία του και η δύναμη του ανά μονάδα βάρους είναι σημαντικά μεγαλύτερες από αυτές του αλουμινίου ή του ατσαλιού. Επομένως απαιτείται λιγότερο υλικό για να επιτευχθούν τα ίδια νούμερα. Δεύτερον, τα ανθρακονήματα είναι παραμετροποιήσιμα. Μέσα από την κατασκευή τους, μπορούμε να επιλέξουμε την θερμική τους αγωγιμότητα για παράδειγμα, όπως μας βολεύει. Έπειτα, είναι χημικά αδρανή, έχουν πολύ καλά χαρακτηριστικά μηχανικής κόπωσης, δεν διαβρώνονται εύκολα και δεν μεταβάλλουν το μέγεθος τους ιδιαίτερα κατά την έκθεση σε ακραίες θερμοκρασίες. Όμως, είναι ακριβά και ανάλογα με την πλέξη τους, μπορεί να είναι εύθραυστα.

8-carbon-fiber-koenigsegg-one-1-goodwood-fos-rear-wing

Νομίζω τελείωσα. Δεν ήμουν πολύ τεχνικός αλλά πώς θα μπορούσα άλλωστε σε ένα άρθρο των 1.500 λέξεων όταν για να αναλύσεις πλήρως ένα συνθετικό υλικό όπως το CFRP χρειάζεσαι σελίδες επί σελίδων. Όμως, ελπίζω να σου έδωσα μία ιδέα του τι εστί CFRP. Ελπίζω να κατάλαβες γιατί είναι ακριβά και ακόμα σημαντικότερα, ελπίζω να κατάλαβες γιατί υπάρχει διαφοροποίηση στην τιμή των ανθρακονημάτων. Όπως έχουν τώρα τα πράγματα, δεν υπάρχει καλό και φθηνό. Υπάρχει καλό και ακριβό ή φθηνό και υποδεέστερο. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται και η μέθοδος κατασκευής παίζουν τεράστιο ρόλο τόσο στην ποιότητα του προϊόντος όσο και στο κόστος του. Γι’ αυτό είναι πολύ σημαντικό να είμαστε ενημερωμένοι. Στο εγγύς μέλλον, υπολογίζεται πως το κόστος των ανθρακονημάτων ίσως πλησιάσει αυτό του αλουμινίου ή του ατσαλιού. Οι διαρκείς πρόοδοι στον τομέα των συνθετικών υλικών, στην παραγωγή τους, στα επιμέρους συστατικά τους κ.α. θα φέρουν την πτώση των τιμών και αργά ή γρήγορα, τα ανθρακονήματα θα περάσουν σε ευρεία παραγωγή. Μέχρι τότε, μπορούμε να ονειρευόμαστε!