MMC Magazine

Marzenie o samolocie z włókna węglowego

Lżejsze od aluminium, bardziej wytrzymałe od stali, tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem szklanym (CFRP) to rewolucyjne materiały, które znalazły zastosowanie w głównych elementach konstrukcyjnych komercyjnych samolotów pasażerskich. Badania nad włóknami węglowymi rozpoczęto w Japonii na początku lat 60-tych. Rozmawialiśmy z Shunsaku Noda, dyrektorem generalnym Sekcji ds. Technologii Lotniczych, działu technologii zaawansowanych materiałów kompozytowych firmy (ACM) TORAY i jego zastępcą Hiroshi Taiko, o 50-letniej historii włókna węglowego i opracowaniu kompozytów CFRP.

Z BLISKA

Co oznacza skrót CFRP?

CFRP to kompozyt włókna węglowego i żywicy. Materiały kompozytowe zawierają szereg składników pozwalających na uzyskanie efektu wzmocnienia, nieosiągalnego z użyciem pojedynczego składnika. Do budowy części samolotów wykorzystywany jest preimpregnat TORAYCA®. Preimpregnaty wykonuje się metodą formowania w arkusze maty złożonej z 24 000 włókien węglowych o grubości 5 μm i impregnowania żywicą termoutwardzalną, np. epoksydową. Po ułożeniu kolejnych warstw i utwardzeniu otrzymujemy arkusz materiału o wysokiej wytrzymałości i wysokim module sprężystości.

Parametry eksploatacyjne kompozytów CFRP zależą od ilości i układu włókien węglowych (kierunku włókien, struktury warstw preimpregnatu). Dlatego, projektując pod indywidualne potrzeby klienta, można uzyskać materiał o szerokim spektrum własności.

Własności kompozytów CFRP

• Jest bardzo lekki, masa właściwa wynosi 1.7, zaledwie jedną czwartą jak dla stali.
• Wytrzymałość na rozciąganie kompozytu CFRP wynosi aż 7 GPa.
• Moduł sprężystości wzdłużnej kompozytu CFRP o wysokiej gęstości wynosi aż 630 GPa.
• Charakteryzują się one także doskonałą stabilnością wymiarów, tłumieniem drgań, wysokim przewodnictwem cieplnym, 
• są niemagnetyczne, odporne 
• na korozję i mają wysoką wytrzymałość zmęczeniową.

Procesy produkcji włókien węglowych

Produkcja włókien węglowych na bazie poliakrylonitrylu (PAN) obejmuje cztery procesy:

1. Przetworzony poliakrylonitryl jest wtłaczany do maszynie przędzalniczej, w celu otrzymania włókien. 
2. Włókna są poddawane obróbce termicznej (utlenianiu), celem zwiększenia odporności ogniowej
3. Następnie włókna są ponownie grzane w celu karbonizacji.
4. Ostatnim procesem jest obróbka powierzchniowa.

Part 1　1950～

Pojawienie się włókien węglowych i prace badawczo-rozwojowe

Gdy zajrzymy do historii prac nad włóknem węglowym, odkryjemy żarówkę - wynalazek Tomasza Edisona i Josepha Swana z końca XIX wieku. Żarnik użyty w tej żarówce był wykonany ze zwęglonego włókna bambusa. Było to pierwsze na świecie włókno węglowe. W miarę jak wolfram stał się coraz popularniejszym materiałem 
na żarnik, włókno węglowe stopniowo odeszło w zapomnienie. W latach 50-tych włókno węglowe ponownie przykuło uwagę, gdy w USA przyspieszono prace badawczo-rozwojowe nad końcówkami wtryskiwaczy 
do silnika rakietowego, które musiały posiadać wysoką odporność termiczną. 

W międzyczasie, w roku 1959 dr Akio Shindo z Politechniki w Osace, opracował metodę produkcji włókien węglowych poprzez karbonizację włókien poliakrylonitrylowych (PAN). Od tego czasu przyspieszyły prace badawczo-rozwojowe i komercjalizacja włókien węglowych. Włókno węglowe posiada bardzo wysoką wytrzymałość, która czyni je głównym składnikiem materiałów kompozytowych. 

W 1967 roku firma Rolls-Royce, jeden z głównych światowych producentów silników lotniczych, poinformowała o zastosowaniu kompozytów CFRP w silnikach odrzutowych. Prawie w tym samym czasie firma TORAY rozpoczęła na szeroką skalę prace rozwojowe nad włóknem węglowym, używając do tego włókna akrylowego o nazwie TORAYLONTM. W roku 1970 firma TORAY zakupiła licencję patentową od dr Shindo. Firmy prowadzą działalność w oparciu o prognozy dotyczące przyszłej atrakcyjności rynkowej i możliwości sprzedaży własnych produktów. Firma TORAY uwierzyła w potencjalne możliwości kompozytów CFRP,  nadała priorytet i odważnie zainwestowała w budowę systemu wytwarzania, co w dzisiejszych czasach byłoby nie 
do pomyślenia.

Part 2　1971～

Produkcja włókna węglowego jeszcze przed pełnym poznaniem 
jego możliwości

W roku 1971 firma TORAY rozpoczęła produkcję i sprzedaż włókna węglowego o wysokiej gęstości. Chociaż włókno węglowe przyciągało uwagę jako materiał nowej generacji, jego główne przeznaczenie nie było jeszcze do końca jasne. Mimo to w firmie TORAY podjęto decyzje o zbudowaniu nowegozakładu o wydajności 12 ton, największego w tym czasie na świecie. Tę śmiałą decyzję oparto na przekonaniu, że kiedyś popyt 
na materiały o wysokiej wytrzymałości będzie bardzo duży. Kierownictwo firmy marzyło, aby kiedyś zobaczyć unoszący się nad ziemią, czarny samolot, zbudowany głównie z kompozytów CFRP. Było to mniej więcej w tym samym czasie, kiedy w Rolls-Royce odnotowano duże problemy podczas konstruowania silnika odrzutowego wykorzystującego kompozyty CFRP.

W międzyczasie, pierwszym komercyjnym produktem wykonanym z włókna węglowego była wędka, która pojawiła się na rynku w 1972 roku. Masa wędki była prawie o połowę mniejsza od dotychczasowych i mimo że stosunkowo droga, dzięki swym parametrom cieszyła się dużym uznaniem. W tym samym roku Gay Brewer Jr. wygrał turniej Taiheiyo Masters używając kijów golfowych z szaftem wykonanym z kompozytu CFRP.  Kije golfowe z kompozytowym szaftem szybko zdobyły uznanie i golfiści zaczęli je masowo kupować. Potem kompozyty CFRP były także stosowane w produkcji rakiet tenisowych, co jeszcze zwiększyło popularność tego materiału. Jednak kompozyty CFRP znajdowały zastosowanie głównie w rozrywce i sporcie. Biorąc  jednak pod uwagę możliwości ich przemysłowego zastosowania, sprzedaż była stosunkowo niska. Punkt zwrotny nastąpił w 1975 roku. Kryzys naftowy w 1973 r. zmusił producentów samolotów do zmniejszenia masy kadłuba samolotu, w celu zmniejszenia zużycia paliwa. Przypomnieli sobie oni o możliwości zastosowania kompozytów CFRP jako dodatkowego materiału konstrukcyjnego, który nie ma bezpośredniego wpływu na bezpieczeństwo lotu.  Wtedy właśnie marzenie firmy TORAY, aby zastosować kompozyty CFRP w produkcji samolotów, przybrało realne kształty. Po zastosowaniu kompozytów CFRP na części samolotowe przez Boeinga i Airbusa, łączna produkcja włókna węglowego TORAYCA® w roku 1988 przekroczyła 10 000 ton. Wielu producentów za oceanem m.in w Anglii i USA zdecydowało o wycofaniu się z produkcji kompozytów CFRP ze względu na niską opłacalność, jednak firmy japońskie, w tym TORAY, biorąc pod uwagę długoterminową perspektywę,kontynuowały prace nad opracowaniem i produkcją CFRP, wykorzystując do tego celu wysokiej jakości włókno węglowe. W 2010 roku udział światowy japońskich producentów włókien węglowych wyniósł ok. 70%.

Part 3　1990～

Rozszerzenie stosowania CFRP jako materiału konstrukcyjnego samolotów

W 1990 roku preimpregnat TORAYCA® (kompozyt CFRP w arkuszach) został zastosowany przez Boeinga jako główny materiał konstrukcyjny kadłuba (części, mających bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo) co potwierdziło, że kompozyty CFRP to niezawodny i bardzo funkcjonalny materiał. Wytrzymałość kompozytu CFRP jest 10-krotnie większa od stali, a masa - jedną czwartą masy stali. Kompozyt CFRP można także formować w różnorodne kształty. 

W projekcie Boeinga 787 rozpoczętym w 2003 roku, kompozyty CFRP stanowiły ok. 50% całkowitej masy samolotu, uwzględniając kadłub i skrzydła. W 2006 roku firma TORAY zawarła z Boeingiem długoterminową kompleksową umowę na dostawy CFRP, która przewidywała dostawy przez TORAY podstawowego materiału konstrukcyjnego.

Part 4　2010～

Przemysłowe zastosowanie zwiększa popyt na kompozyty CFRP

Po roku 2010 w wielu różnych dziedzinach gwałtownie wzrosło globalne zapotrzebowanie na kompozyty CFRP. Oprócz sprzętu sportowego i samolotów, zastosowania obejmują łopatki turbin wiatrowych, dachy, części samochodów takie, jak wały napędowe, zbiorniki gazu ziemnego i ogniwa paliwowe, komponenty pociągów dużej prędkości, obudowy komputerowe i wiele innych. Głównym elementem strategii rozwoju firmy TORAY jest produkcja materiałów kompozytowych zawierające włókna węglowe. Celem zwiększenia popytu, część swych zasobów kadrowych firma TORAY oddelegowała do nowych obszarów o dużym potencjale wzrostowym, np. branży motoryzacyjnej i lotniczej oraz do innych nowych branż.  W roku 2020, aby zwiększyć swą obecność w Ameryce Północnej, TORAY planuje rozbudowę swej bazy w tym regionie.

Aktualnie parametry wytrzymałościowe włókna węglowego wciąż wynoszą jedną dziesiątą wartości teoretycznych, co daje duże możliwości dalszego rozwoju. Barierą popularności rynkowej jest wciąż koszt włókna węglowego, jednak wraz z rosnącym zakresem stosowania w branży części samochodowych, masowa produkcja może w nieodległej przyszłości spowodować znaczny spadek kosztów i gwałtowny wzrost popytu.

Od czasu uruchomienia przez TORAY pierwszej na świecie produkcji włókna węglowego na skalę przemysłową minęło prawie pół wieku. Aby znaleźć stabilny rynek, trzeba było przez długi czas dokładać wielu starań. Jaka była motywacja firmy? Była to zasada utrzymania ciągłości, którą kierowano się w firmie TORAY, wspierana przez silne pragnienie wśród kierownictwa, aby doczekać chwili, aż w powietrze wzniesie się pierwszy samolot wykonany z kompozytów CFRP. Kompozyty CFRP będą wciąż udoskonalane jako najbardziej zaawansowane, wysoce funkcjonalne materiały dla światowego przemysłu.
 

Patrząc wstecz na historię kompozytów CFRP

Noda: Cieszymy się bardzo, gdy produkty opracowane przez nas zmieniają świat na lepsze, np. powodują zmniejszenie zużycia paliwa przez samoloty. Produkcja kompozytów CFRP stała się strategicznym, rozwijającym się rodzajem działalności i naszą misją jest dalszy jego rozwój, jako głównego filaru działalności firmy TORAY. W porównaniu z materiałami metalowymi, typy, ilości i zastosowania materiałów kompozytowych bazowanych na włóknie węglowym, są wciąż mało znane. Jednak naszym zdaniem, kompozyty CFRP dają nieograniczone możliwości i aby zmienić świat na lepsze, będziemy dalej badać te możliwości.

Taiko: Dziecięce zamiłowanie do latania spowodowało, że moja kariera jest związana z samolotami i rakietami. Moim marzeniem, jako tego, kto zajmuje się badaniami i rozwojem jest, aby któregoś dnia wejść na pokład samolotu wykonanego z materiałów, które zaprojektowałem. Kompozyty CFRP stosowane w produkcji Boeinga 787 zostały opracowane przez personel badawczo-rozwojowy wyższego szczebla, a ja brałem w tym jedynie pośredni udział. Mam nadzieję, że moje marzenie kiedyś się zrealizuje.