A karbonszálas anyagok szerepe az autóiparban

Frissítve:
2018-09-18, 21:59

Évtizedekkel ezelőtt már a versenysport alapvető anyagává vált a karbonszál erősítette műanyag, ami ma már az autóiparban is egyre jobban jelen van.

A karbon- vagy szénszál hallatán mindenkinek a jellegzetes mintázat jut eszébe, rácsszerűen egymásra fektetett vagy egymásra merőlegesen elhelyezett szálak. A karbonszállal erősített műanyagok kisebb tömegűek, mint a hasonló üvegszálas anyagok, ugyanakkor megfelelnek a karosszériaelemekre előírt szigorú követelményeknek. A fémekhez képest a szénszálas elemek 50–75% -kal csökkentik a tömeget és emellett szakító szilárdsága is magas. Sokáig csak exkluzív sportautókban használták a magas előállítási költsége miatt.

Az alábbi videó talán jobban szemlélteti, hogyan is lesz autóalkatrész a karbonszálból. Christian von Koenigsegg enged betekintést ebbe, a gyár főhadiszállásán. Gondoltad volna, hogy több, mint 400 alkatrészt már karbonszálból formálnak meg? Magyar felirattal is megtekintheted a videót:

A karbonszálak története messzire nyúlik vissza, egészen pontosan 1897-ig, amikor Edison elszenesített bambuszrostból készítette el első izzólámpáját. 1969-ben a brit Carr Reinforcements, a világon először állított elő szénszálból szövetet. Az alapok azóta sem változtak, hiszen napjainkban is a poliakrilnitrilen alapuló eljárás a legnépszerűbb, a szénszálak mintegy 90%-át ebből állítják elő.

A Formula 1-es autó cockpitje is karbonszálat tartalmaz

Mint minden technikai és biztonsági újítást, ezt is az élsportban használták először nagyobb mennyiségben. A szénszálas kompozitok használata az 1981-es szezon óta jelentős szerepet tölt be a Formula 1-es versenyautókban. Hatalmas port kavart, amikor a Mclaren bemutatta az MP4/1 újratervezett szénszálas monocoque-ját. Ez az újítás több tekintetben is drámai változásokat hozott magával.

A három legfontosabb változás a pilóta biztonsága és kényelme, illetve javított az autó teljesítményén. Egy versenyautó nagy részben már csak ilyen kompozitból áll, a cockpittől kezdve a felfüggesztésen át az aerodinamikai elemekig és akár 60 rétegből is állhat egy alkatrész. A monocoque esetén körülbelül 30 négyzetméter szénszálas anyagot használnak fel, amelyekben az egyes szálak ötször vékonyabbak, mint az emberi haj. Elkészítése pedig 3-4 hónapot is igénybe vehet.

A karbonszál előállítás közben

A gyártási folyamat leegyszerűsítve nagy kályhákban történik, magas hőmérsékleten és nagy nyomás alatt.

Az előállítás első lépése az akrilnitril polimerizációjával előállított poliakrilnitiril stabilizálása, ami leegyszerűsítve oxigéndús környezetben történő hevítést jelent 200-350 Celsius fokon. Így létrejön az oxidált szál, ami már textilipari nyersanyag, melynek összetétele 62% szén, 21% nitrogén, 13% oxigén és 4% hidrogén.

A következő lépés a stabilizált szálat mintegy 800 °C-ra hevítik, ennek hatására az oxigén és a nitrogén illékony vegyületek formájában távozik, így kialakulnak a már szinte kizárólag szénatomot tartalmazó, egymáshoz közvetlenül kapcsolódó láncok. Ennek széntartalma már 90% fölötti.

Tekercsekben a karbonszálak

Az utolsó lépés a nyújtás és hevítés, utóbbi esetében nagyjából 1000–3000 °C hőmérsékletre kell gondolnod. A folyamat végterméke a grafitszál, melynek széntartalma már megközelíti a 100%-ot. A nyújtás a szerkezet megfelelő rendezettségét szolgálja, hatására a szénatomok rendkívül erős kötésekkel kristályokba rendeződnek. Ez adja az ilyen típusú szálak rendkívül nagy szakítószilárdságát, emellett rezgéscsillapító hatásuk van.

A korrózióval és az UV-sugárzással szemben jól ellenállnak, továbbá csekély a hőtágulási együtthatójuk és vízfelvételük. A gyártási folyamat befejezéseként az oxidált szálakat és a szénszálakat is a további feldolgozást segítő felületkezeléssel látják el.

A BMW i3 egyik karbon alkatrésze

Manapság rengeteg alkatrészt gyártanak szénszálas technológiával. Elég csak a versenysportra, a Formula 1-re, a versenykerékpárokra, a motorkerékpár-vázakra, a hajózásra, illetve a repülőgép- és űrhajó-iparra gondolni.

Az autógyártók évtizedek óta tesznek azért, hogy a szénszálat nagyobb mennyiségben tudják használni, ám a könnyű, de erős anyag a szuperautók kiváltsága. Jellemzően a monocoque gyártásához alkalmazzák a konstruktőrök, emellett kisebb elemek, légterelők, tükörházak és hasonló alkatrészek könnyebbé tételében nyújt hatékony segítséget a speciális anyag.

Egy motorháztető elkészüléséhez 90 percre van szükség, ami kisszériás sportautóknál még elfogadható, de sorozatgyártásban, ahol percenként gördülnek le a kész autók a sorról ott nem kivitelezhető, emellett a magas költségek sem túl szimpatikusak az autógyártóknak. Bár az 1970-es évekhez képest, amikor 1 kilogramm szénszál 330 dollár, vagyis átszámítva 100 000 Ft volt, ami 5 m2-t tesz ki. Napjainkban egy négyzetméter ára 5-55 dollár között mozog, vagyis 1 500 Ft és 15 000 Ft között mozog attól függően, hogy mekkora tételben és honnan érkezik az áru.

 BMW i3 monocoque

BMW úttörőnek számít, hiszen az általa gyártott elektromos- és hibrid modellek, vagyis az i3 és i8 alapjai teljes egészében karbonszálas erősítésű műanyagból készülnek, amely egy teljesen új kategóriába emeli a bajor márka újdonságait.

Mint mindennek, ennek a technológiának is megvannak a hátulütői. Például a javítás kérdése még nem megoldott, de józan ésszel belegondolva hatékony javításról nem lehet szó, roncsolódás esetén a csere, mint gyors megoldás kézenfekvő, természetesen nem túl baráti áron. A biztonság sem elhanyagolható a tervezés szempontjából, hiszen a túlságosan merev szénszálas anyagok nem képesek megfelelően elnyelni az ütközés energiáját, ezért szokták különböző anyagokkal együtt használni. Persze minden lehetséges, a mérnöki leleményesség nem ismer határokat és amennyiben szükséges, a szakemberek minden bizonnyal megtalálják majd a megoldást.

Forrás/ Fotók:

További autós hírek

A lehető legrosszabb pillanatban, egy lejtőn ment tönkre egy teherautó fékje – szúrta ki afelvételt az origo.hu Miután a sofőr…

Az esetet éjjel, hajnali 1 óra körül rögzítette olvasónk, az elmondása szerint. Miután áthajtott a Szerencs utcai VÉDA kapun, majd…

A 29 éves Agina Altinbajeva büszkén posztolta közösségi csatornáján, ahogy hatéves kisfia 128 km/óra sebességgel száguld a nyílt országúton. A…

Halálos vadbaleset történt a 73-as úton, egy közel 200 kilós szarvas lerúgta a motorról a sofőrt és az utasát vasárnap…

A francia városban erősen esett az eső, az autós pedig a rossz látási viszonyok között vakon követte a GPS-t. Amikor…

Kapcsolódó írások

9 kérdés a magyar autógyártás hőskorából!
2018. február 25.
A magyar autógyártás hőskora a gőzkocsival kezdődött a 19. század végén. Legújabb kvízünkben 9 kérdés szerepel ebből a korszakból!
Tesla Model 3
2019. május 22.
Még időpontot is foglal neked a szerelőnél a Tesla legújabb kiegészítője
Ateliers Diva hátulról
2019. július 30.
Az Ateliers Diva egy klasszikus Porsche 911 szénszálas karosszériával és vaskos árcédulával.
2018-as Suzuki Vitara elölről
2018. október 23.
Több jeles magyar képviselője is volt az autóiparnak világszerte az idők során, mára pedig számos nagyvállalat van jelen az ország különböző térségeiben.