Tribologia
Aplikacje kompozytów
polimerowych w motoryzacji
Piotr Chochorowski
Mirosław Gatlik
Jakub Koczur
Grupa K
Kompozyty - definicja
Kompozyt to materiał składający się z dwóch lub większej liczby
różnych materiałów:
- celowo zmieszanych i możliwych do wyodrębnienia metodami
mechanicznymi,
- rozłożonych w kontrolowany sposób w celu nadania optymalnych
własności,
- posiadających właściwości wyjątkowe i lepsze niż indywidualne
składniki.
Składnik ciągły kompozytu, który często występuje w większej ilości
nazywany jest osnową lub matrycą. W osnowie osadzone są włókna
lub ziarna (cząstki) nazywane napełniaczem, wzmocnieniem lub
zbrojeniem.
Podział kompozytów
Podstawą klasyfikacji kompozytów jest rodzaj materiału osnowy:
- metaliczna (głównie stopy aluminium, magnezu, tytanu, niklu),
- ceramiczna (węglik krzemu, tlenek aluminium, azotek aluminium),
- polimerowa (poliestry, epoksydy  termoutwardzalne, poliamidy,
polipropylen - termoplastyczne)
Osnowa spełnia następujące role:
- spaja włókna w elemencie konstrukcji,
- jest odpowiedzialna za przenoszenie obciążeń na włókna,
- chroni włókna prze zniszczeniem na skutek oddziaływania
czynników zewnętrznych.
Kompozyty polimerowe
Unikatowe właściwości kompozytów polimerowych
doceniane są przez coraz większą liczbę odbiorców. Poprawa
bezpieczeństwa i ekonomiki użytkowania jest głównym motywem
stojącym za ich rosnącym wykorzystaniem w przemyśle
aeronautycznym czy motoryzacyjnym. Coraz częściej stosowane są
również do wytwarzania wielu specjalistycznych wyrobów
przemysłowych (np. elementy toczne maszyn poligraficznych,
obudowy komputerów i maszyn, sprzęt medyczny).
Rodzaje kompozytów polimerowych
Najbardziej znanymi kompozytami są kompozyty polimerowe wzmacniane
włóknami. Na przestrzeni ostatnich lat ich produkcja rozwinęła się na tyle, że obecnie
uważa się je za samodzielną grupę tworzyw konstrukcyjnych, które znajdują zastosowanie
w najbardziej wymagających aplikacjach.
Zdecydowanie najpowszechniejszymi materiałami tego typu są kompozyty
wzmacniane włóknami szklanymi (glass fibre reinforced plastics). Cechuje je jednocześnie
relatywnie niska cena oraz stosunkowo najmniej skomplikowany proces produkcji. Na
drugi, znacznie mniejszy, a zarazem bardzo dynamicznie rozwijający się segment
omawianego rynku składają się kompozyty wzmacniane włóknami węglowymi (carbon
fibre reinforced plastics). Ponieważ charakteryzuje je znacznie większa wytrzymałość niż
kompozyty GRP, wykorzystywane są w bardziej wymagających aplikacjach. Odpowiednio
wyższa jest jednak również ich cena. Jeszcze słabiej rozpowszechnione są kompozyty
polimerowe z domieszką włókien aramidowych. Te niszowe produkty stosowane są
najczęściej do produkcji komponentów, których zadaniem jest odpowiednia absorpcja
bardzo dużej energii (np. w produkcji kamizelek kuloodpornych lub samochodów
opancerzonych). Za produkty przyszłości uważa się kompozyty wzmacniane włóknami
ceramicznymi. Te niezwykle wytrzymałe materiały już teraz testowane są m.in. w
kosmonautyce.
Rozwój rynku kompozytów polimerowych
Kompozyty o osnowie polimerowej zaliczane są do materiałów o najwyższej relacji
wytrzymałości do masy. Cechuje je bardzo duża sprężystość i rozciągliwość. A
ączna wartość
światowego rynku kompozytów o osnowie polimerowej szacowana jest na ok. 60 mld dol. i z
roku na rok rośnie w tempie przekraczającym wzrost globalnego PKB. Jednak, gdy porówna się
aktualną skalę produkcji kompozytów oraz tradycyjnych materiałów, można się zorientować, że
jest to wciąż działalność niszowa. Podczas gdy globalna produkcja stali kształtuje się na
poziomie ok. 1,5 mld t/r., wolumen kompozytów GRP, dostarczany przez ich producentów na
całym świecie, kształtuje się w granicach zaledwie 4-5 mln t/r. Co uniemożliwia zatem
wykorzystanie kompozytów na znacznie szerszą skalę? Otóż, pomimo ich unikatowych
właściwości, główną barierą dla wielu potencjalnych odbiorców jest koszt kompozytów,
kilkakrotnie przewyższający cenę komponentów o podobnych wymiarach, a wykonanych z
tradycyjnych materiałów. Na dzień dzisiejszy popyt na kompozyty pojawia się zatem głównie
tam, gdzie kluczowe znaczenie odgrywa relacja masy do wytrzymałości produktu. Producenci
kompozytów  dążąc do poprawy konkurencyjności swoich wyrobów  podejmują duże wysiłki
ukierunkowane na stałe udoskonalanie technologii ich wytwarzania. To z czasem prowadzić
powinno do znacznych oszczędności kosztów. A potencjał w tym zakresie jest znaczny  wg
Roland Berger mogą one do 2020 r. sięgnąć nawet 40% obecnej ceny kompozytów.
Zastosowanie kompozytów z
włóknami węglowymi w motoryzacji
W ostatnich latach coraz szersze zastosowanie znajdują kompozyty polimerowe
z włóknami węglowymi. Zastępując konwencjonalne materiały stosowane w konstrukcji
samochodu, są coraz powszechniej używane do wytwarzania elementów pojazdów.
Największym atutem kompozytów z włóknami węglowymi, w porównaniu ze stalą i
aluminium, są ich doskonałe właściwości mechaniczne. Mały ciężar właściwy przyczynia
się do redukcji masy samochodów, a więc i zmniejszenia zużycia paliwa. Części karoserii
pojazdów wykonane z polimerów wzmocnionych włóknami węglowymi cechuje
wytrzymałość i odporność w różnych warunkach atmosferycznych.
Kompozyty z włóknami węglowymi wykorzystuje się do budowy bardzo lekkich
i wytrzymałych części karoserii samochodów wyścigowych oraz bolidów Formuły 1.
Obecnie stosowane są w konstrukcji panelu głównego, skrzydeł i większości elementów
korpusu, a także tarcz i klocków hamulcowych. Włókna węglowe pozwalają na
zmniejszenie masy tych elementów o połowę w stosunku do stali. Najnowsze
rozwiązania technologiczne pozwalają pracować hamulcom przy temperaturach
dochodzących do 1300�C.
Zastosowanie kompozytów z
włóknami węglowymi w motoryzacji
Przedział kierowcy w samochodach serii GP2
zbudowany jest z siedmiu rodzajów
kompozytów z włóknami węglowymi, każdy z
nich zapewnia odpowiednią wytrzymałość w
zależności od roli jaką pełni w konstrukcji .
Zastosowanie kompozytów z
włóknami węglowymi w motoryzacji
Kompozyty polimerowe zastosowali m.in. inżynierowie zespołu Porsche w
konstrukcji skorupowej podwozia. Po raz pierwszy w samochodzie przeznaczonym do
seryjnej produkcji wykonano z kompozytu na osnowie z żywicy epoksydowej ramę
pomocniczą zespołu napędowego, która łącznie z przedziałem dla kierowcy i pasażera
tworzy główny trzon konstrukcji pojazdu. W ten sposób obniżono masę ramy o ok. 40%
w porównaniu z konstrukcjami stalowymi. Zastosowanie tego kompozytu poprawiło
również sztywność pojazdu, co skutkowało polepszeniem właściwości trakcyjnych i
dynamiki jazdy.
Zastosowanie kompozytów z
włóknami węglowymi w motoryzacji
Jak wynika z dotychczasowych informacji, Porsche nie jest jedyną firmą
wykorzystującą żywice epoksydowe z włóknami węglowymi. Ten sam kompozyt
zastosowano w Fordzie GT 2005, w którym wykonano pokrywę bagażnika, co przyczyniło
się do poprawy sztywności skrętnej, stabilności wymiarowej oraz lepszej integracji części.
Szacuje się, że ważąca 6,4 kg struktura pokrywy bagażnika jest około 50% lżejsza od
podobnej struktury aluminiowej, a o 75% od struktury stalowej.
Zastosowanie kompozytów z
włóknami węglowymi w motoryzacji
Włókna węglowe na szeroką skalę stosuje firma BMW
m.in. w konstrukcji samochodów sportowych. Aby
uzyskać lepsze osiągi pojazdów, konstruktorzy BMW
użyli włókien węglowych w elementach, takich jak
zderzaki, spojlery, pokrywy silnika, bagażniki oraz
niektóre elementy zawieszenia. W sportowej wersji
BMW Concept 1 Series, włókna węglowe zastosowano do wytworzenia lekkiej konstrukcji
m.in. maski silnika, obudów lusterek i wstawek w bocznych i przednich wlotach powietrza, co
przyczyniło się do redukcji masy w porównaniu z pojazdami seryjnymi. Innym przykładem
wykorzystania włókien węglowych jest BMW model M3 CSL, który ważący ponad 110 kg mniej
od seryjnej wersji, głównie dzięki zastosowaniu włókien węglowych w konstrukcji dachu. Z
tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami węglowymi wykonano
również elementy budowy sportowej wersji M6, takie
jak dach i belki zderzaków. Przednie błotniki w tym aucie
zrobiono z tworzywa termoplastycznego, a pokrywę
bagażnika ze wzmacnianego włóknami szklanymi
laminatu SMC - Sheet Moulding Compound.
Zastosowanie kompozytów z
włóknami węglowymi w motoryzacji
Kompozyty z włóknami węglowymi
są głównym materiałem użytym do
budowy nadwozia w Mercedesie-
Benz SLR McLaren (2003 r.), jak:
struktura nośna w postaci
sztywnego przedziału pasażerskiego
wraz z przegrodą czołową, drzwi,
pokrywa silnika oraz energochłonne
podłużnice przednie w kształcie
zbliżonym do stożków. W sumie
ponad 50 elementów jest
wykonanych z tworzyw
sztucznych
wzmacnianych
włóknami
szklanymi lub
węglowymi.
Zastosowanie kompozytów z
włóknami szklanymi w motoryzacji
Kompozyty polimerowe z włóknami długimi są jedną z najszybciej rozwijających się
grup materiałów mających zastosowanie w motoryzacji. Metal jako tradycyjny materiał jest
zastępowany przez kompozyty polimerowe, które znajdują zastosowanie m.in. w budowie
nadwozi pojazdów. Zaletą kompozytów polimerowych jest łatwość formowania, co pozwala
na zastępowanie wielu metalowych podzespołów jednym elementem kompozytowym.
Coraz częściej stosowaną osnową kompozytów są termoplasty. Kompozyty na
osnowie poliacetali (POM) zbrojone długimi włóknami szklanymi cechują się doskonałą
adhezją włókien z polimerem, co korzystnie wpływa na właściwości nowych materiałów.
Kompozyt ten oprócz dużej twardości cechuje wyjątkowa odporność na uderzenia, stąd
stosowany jest np. do wytwarzania szyberdachów. Doskonała odporność chemiczna tego
kompozytu predysponuje go do zastosowań na elementy narażone na działanie związków
chemicznych, np. korki wlewu paliwa. Kompozyty na osnowie polipropylenu wzmocnione
długimi włóknami szklanymi stosowane są jako panele drzwiowe m.in. w samochodach marki
Mazda
Zastosowanie kompozytów z
włóknami szklanymi w motoryzacji
Elementy te najczęściej wytwarzane są przy użyciu technologii wtryskiwania, co
pozwala na szybkie wytwarzanie dużych elementów w jednej operacji, a w rezultacie na
zmniejszenie kosztów produkcji . Termoplasty takie jak poliwęglan oraz kopolimer
styren/akrylonitryl (SAN) wzmocnione włóknami szklanymi są stosowane w Fordzie Focusie C-
Max jako podłokietniki, uchwyty na napoje oraz wsporniki deski rozdzielczej .
Zastosowanie kompozytów z
włóknami szklanymi w motoryzacji
Kompozyty na osnowie termoplastycznej są stosowane także jako poziome elementy
nadwozia, jak maska przednia. W koncepcyjnym samochodzie Chevrolet Volt zaproponowano
zastosowanie kompozytów składających się z warstwy środkowej, którą wzmacniają włókna
szklane o przypadkowym ułożeniu oraz ustawionych naprzemiennie warstw wierzchnich
tworzywa termoplastycznego z jednokierunkowym wzmocnieniem ciągłym włóknem
szklanym. Kompozyty takie charakteryzują się znacznie mniejszą masą niż stal czy tworzywa
termoutwardzalne, co pozwala zwiększyć ekonomikę jazdy. Zaproponowane kompozyty
sandwiczowe oprócz mniejszego ciężaru odznaczają się wyjątkową odpornością mechaniczną
oraz lepiej niż stal pochłaniają energię,
zapewniając wyższy poziom bezpieczeństwa
pieszym. Otrzymane tworzywa przeznaczone
są do formowania niskociśnieniowego, które jest
procesem o małej energochłonności oraz nie
wymaga drogich narzędzi, co przyczynia się do
redukcji kosztów produkcji. Na bazie
otrzymanych kompozytów można wytwarzać
niedrogie, lekkie płaty nadwozia, które między
innymi poprawią ekonomikę jazdy.
Zastosowanie kompozytów z roślinnymi
włóknami naturalnymi w motoryzacji
W latach 30. i 40. XX w. stosowanie alternatywnych materiałów w motoryzacji, takich
jak włókna naturalne, a zwłaszcza konopne, propagował Henry Ford. W 1941 r. w fabryce
Forda skonstruowano samochód napędzany produktami z soi i konopi, którego elementy
karoserii wykonano z włókien konopnych. Prawdopodobnie II Wojna Światowa, silne lobby
firmy Du Pont  producenta włókien syntetycznych oraz papieru drzewnego  a także
trudności technologiczne w przetwarzaniu włókien naturalnych w tamtym czasie
spowodowały, że idee propagowane przez Henry ego Forda nie zostały powszechnie
wdrożone. Włókna naturalne były jednak powszechnie stosowanym napełniaczem polimerów.
Włókna lignocelulozowe z niewielką ilością osnowy polimerowej wykorzystywano do produkcji
siedzeń w samolotach oraz zbiorników paliwa. W 1971 r. i 1978 r. poliestry wzmacniane
włóknami juty, palm Abaka oraz sizalu wykorzystywano do produkcji paneli budowlanych i
konstrukcyjnych w Bangladeszu, w ramach programu UNIDO. Od 1972 r. materiały te
produkowano już w 35 innych krajach trzeciego świata. W 1974 r. włókna sizalowe, w
połączeniu z żywicą epoksydową, znalazły zastosowanie do wytwarzania rur. Wykonanie
kompozytu było łatwe, koszty gotowego elementu niewielkie, a moduł Younga otrzymanych
kompozytów wynosił 8,5 GPa, co było wartością na tyle zadowalającą, że zaczęto stosować
jako wzmocnienie również inne włókna naturalne.
Zastosowanie kompozytów z roślinnymi
włóknami naturalnymi w motoryzacji
Obecnie roślinne włókna naturalne są stosowane jako napełniacze zarówno termo-
jak i duroplastów. Kompozyty polimerowe z włóknami naturalnymi są stosowane głównie w
przemyśle motoryzacyjnym, meblarskim oraz w budownictwie.
Firmy motoryzacyjne stanowią największą grupę inwestorów zainteresowanych
włóknami naturalnymi. W 1993 r. firma Daimler-Benz doceniła walory włókien naturalnych,
przeznaczając 1,6 mln DM na uprawy roślin włóknistych na terenie Amazonii i rozpoczynając
program  zielony mercedes . Aktualnie firma Daimler jest producentem samochodów
najchętniej stosującym włókna naturalne. Modele samochodów Mercedes-Benz klasy A, C, E i
S wyposażone są w ponad 50 elementów polimerowych z włóknami naturalnymi . W
mniejszym stopniu są one stosowane w samochodach sprzedawanych w Stanach
Zjednoczonych, gdzie nie wprowadzono restrykcyjnych wymagań dotyczących recyklingu
pojazdów wycofanych z eksploatacji.
W ślad za firmą Daimler również inni producenci samochodów (BMW, Toyota,
General Motors, Honda oraz Ford) inwestują w rozwój technologii wytwarzania kompozytów
wzmacnianych włóknami naturalnymi. Firma BMW w 2004 r. zastosowała w
wyprodukowanych autach 10 000 t włókien naturalnych, m.in. lnu, sizalu, bawełny oraz
włókien drzewnych
Przykłady zastosowań włókien
naturalnych w motoryzacji
Producent Model pojazdu Element pojazdu
A3, A4, A4 boczne i tylne panele drzwiowe, oparcie
Audi
Avant, A6, A8, siedzenia, okładzina bagażnika, obudowa
Roadster koła zapasowego
panele drzwiowe, oparcie siedzenia, panel
BMW
serie 3, 5 i 7
zagłówka, okładzina bagażnika
Mercedes-Benz panele drzwiowe, tablica rozdzielcza,
Daimler
klasy A, C, E i poduszki boczne, zagłówki, podpodłogowy
Chrysler
S płat poszycia nadwozia
Mondeo,
Ford
panele drzwiowe, okładzina bagażnika
Focus, Freestar
Astra, Vectra,
panel zagłówka, panele drzwiowe, deska
Opel Saturn L300,
rozdzielcza, oparcie fotela
Zafira
panele drzwiowe, oparcie fotela, okładzina
Volkswagen Golf, Passat, Bora
bagażnika