Plastik fantastik

Czyli krótko o kompozytach.

Wybór materiałów jest dzisiaj ogromny. Inżynierowie projektując konstrukcję mogą wybierać pomiędzy niezliczonymi stopami metali, ceramiką i tworzywami sztucznymi oraz naturalnymi a nawet łączyć je ze sobą tworząc różne kompozyty. Od wielu lat popularność i medialny rozgłos zyskują zwłaszcza wzmacniane włóknami kompozyty o osnowie polimerowej, a włóknom węglowym czy aramidowym przypisuje się niemal magiczne właściwości.

Włókna stosowane jako wzmocnienie mają wiele zalet. Przede wszystkim wykonuje się je z materiałów o stosunkowo małej gęstości. Dzięki małej średnicy ich struktura wewnętrzna charakteryzuje się wysokim stopniem doskonałości. Mała ilość wad daje im wysoką wytrzymałość, zarówno statyczna jak i zmęczeniową. W porównaniu do klasycznej konstrukcji z metalu pozwala to obniżyć masę, co ma gigantyczne znaczenie również w lotnictwie i astronautyce.

Rzadko wymienianą zaletą zbrojonych włóknami kompozytów o polimerowej, chemoutwardzalnej osnowie jest stosunkowo prosta technologia produkcji elementów. W jednostkowej i małoseryjnej produkcji można uzyskać dość wysoką jakość przy prostym (tanim) oprzyrządowaniu. Najwyższą doskonałość (stały stosunek objętości osnowy do zbrojenia i małą ilość porów) uzyskuje się stosując wstępnie zaimpregnowane taśmy i tkaniny, jednak ze względu na ich krótki okres przydatności (zwłaszcza w przypadku stosowania żywic do utwardzania w niskiej temperaturze i ciśnieniu, bez użycia autoklawu wynoszący tylko kilka tygodni) nadają się raczej do produkcji o większej skali.

W przypadków laminatów różnicowanie grubości powłok jest bardzo łatwe poprzez zmianę ilości warstw. W przypadku metali stosowano albo blachy o zmiennej grubości uzyskanej poprzez skośne ustawienie walców albo poprzez trawienie – proces powolny i dość trudny do kontroli.

Pomimo licznych zalet polimerowo włókniste kompozyty mają również wady. Tkaniny, maty czy taśmy najlepiej układają się na powierzchniach rozwijalnych lub zbliżonych do nich. Jeśli krzywizna zmienia się w kilku kierunkach (jak np. sfera) ułożenie włókien w pożądanej konfiguracji, bez załamań i zakładek może być problematyczne. Proces produkcji elementów jest stosunkowo długotrwały co właściwie wyklucza produkcję na masową skalę.

Polimerowa osnowa ma niewielką odporność na temperaturę i naciski, we wszystkich gorących miejscach i połączeniach kształtowych (sworznie, śruby) i tak trzeba stosować elementy metalowe. Pamiętać należy również o anizotropii wymagającej uwzględnienia orientacji włókien w trakcie procesu projektowania oraz ich odpowiedniego ułożenia podczas produkcji.

Istnieją również kompozyty o osnowach metalicznych i ceramicznych, jednak ze względu na skomplikowaną technologię (i w związku z tym wysoki koszt) znalazły one zastosowania raczej w produktach z górnej półki cenowej (np: dysze silników rakietowych, bardziej popularne ceramiczne tarcze hamulcowe).

Materiałów stosowanych na włókna (szkło, węgiel, polietylen, aramidy...) i osnowy (epitlenki, poliestry, winyloestry, formaldehyd...) jest cała masa. Niektóre się ubóstwia (grafit) inne w zbiorowej świadomości nadają się tylko na tanie podróbki (szkło).

Tymczasem trzeba pamiętać o dobieraniu materiału do zastosowania – włókna grafitowe mają bardzo wysoki moduł sprężystości zapewniający wysoką sztywność elementów ale również – pomimo wysokiej wytrzymałości statycznej – udarność mają dużo niższą od taniego włókna szklanego.

Pozornie kompozyty o polimerowych osnowach są odporne na działanie środowiska, nie gniją ani nie korodują, jednak w specyficznych warunkach również ulegają degradacji. Żywice poliestrowe zbrojone włóknem szklanym stosowane na kadłuby małych statków często ulegały znacznemu zużyciu już po kilku latach pod wpływem wody – wnikała ona w żywicę powodując uszkodzenia na zasadzie podobnej do wietrzenia skał oraz wypłukiwała składniki ze szkła. Żywice epoksydowe ulegają zaś rozkładowi pod wpływem promieniowania nadfioletowego.

Pomimo swoich wad wyparły one z wielu zastosowań lekkie stopy magnezu i tytanu. Zdecydowała podstawowa zasada ekonomi, czyli stosunek kosztów do efektu – to, że w samolotach i sportowych samochodach na szeroką skalę wykorzystuje się różne kompozyty to efekt działania księgowych. Żaden inny materiał nie pozwala uzyskać tak lekkiej konstrukcji przy niższym koszcie.

PS Mechanikę podobną do współczesnych kompozytów wykazuje drewno. Jeśli ktoś uważa, że nie nadaje się ono do konstrukcji o wysokich osiągach niech zapyta internet o samochody Marcos albo bombowiec De Havilland Mosquito. Z tym, że dzisiaj – ze względu na technologię – drewniana wyścigówka byłaby zapewne dużo droższa od "węglowej".