Uhlíkový kompozit

Uhlíkový kompozit (CFRP, anglicky carbon fibre reinforced polymer, hovorově karbon) je materiál z uhlíkových vláken uložených v polymerní matrici, nejčastěji v epoxidové pryskyřici. Vlákna nesou zatížení, matrice je drží v poloze, přenáší mezi nimi síly a chrání je. Většina dílů má podobu laminátu z několika vrstev, a vlastnosti proto závisejí na typu vláken, jejich objemovém podílu a orientaci.

Vlákna se dodávají jako prameny označené počtem vláken v tisících (například 3K nebo 12K), jako jednosměrné vrstvy (UD) nebo jako tkaniny v plátnové či keprové vazbě, která dává typický vzhled pohledových dílů. Standardní vlákna mají modul pružnosti kolem 230 GPa, vysokomodulová 350 GPa i více. Výztuž se zpracovává buď suchá se samostatně dávkovanou pryskyřicí (ruční kladení s vakuováním, vakuová infuze, RTM), nebo jako prepreg, tedy výztuž předem napuštěná pryskyřicí a vytvrzovaná za tepla, často v autoklávu. Trubky a tyče se vyrábějí také navíjením a tažením (pultruzí).

Hustota uhlíkového kompozitu je přibližně 1,5 až 1,6 g/cm³. Jednosměrný laminát ze standardních vláken má ve směru vláken modul pružnosti typicky 120 až 150 GPa a pevnost v tahu 1,5 až 2,5 GPa, napříč vlákny jen zlomek těchto hodnot. Kvaziizotropní laminát, který se v rovině chová ve všech směrech přibližně stejně, má modul řádově 45 až 60 GPa, tedy méně než hliník, a při zhruba o 40 % nižší hustotě jen o něco vyšší měrnou tuhost. Velká úspora hmotnosti proto vzniká hlavně tam, kde vlákna míří ve směru hlavního zatížení. Teplotní roztažnost ve směru vláken je blízká nule.

Uhlíkový kompozit má smysl tam, kde rozhoduje hmotnost nebo tuhost vztažená k hmotnosti: rámy dronů a robotů, ramena a koncové efektory rychlých manipulátorů (menší setrvačnost umožní vyšší dynamiku), díly závodních vozidel a letadel, sportovní vybavení, protézy a ortézy, hnací hřídele a válce nebo rozměrově stabilní rámy měřicích a optických přístrojů. Pro prototypy a malé série se často používají hotové polotovary: desky dělené frézováním nebo vodním paprskem a tažené či navíjené trubky spojované lepením.

Pro kryty a díly bez vysokých nároků na tuhost bývá výhodnější levnější sklolaminát, u tvarově složitých dílů v malé sérii obráběný hliník. Rozhodnutí opřete o výpočet: pokud vlákna nelze orientovat podle zatížení, úspora oproti hliníku bývá menší, než se čeká.

Uhlíkový kompozit je křehký: nedeformuje se plasticky, selhává náhle a náraz může uvnitř laminátu způsobit delaminaci, i když povrch vypadá neporušeně. Teplotní odolnost určuje matrice. Pryskyřice vytvrzované za pokojové teploty mají bez dotvrzení teplotu skelného přechodu často jen kolem 50 až 70 °C a epoxid bez ochranného laku degraduje UV zářením. Uhlíková vlákna jsou elektricky vodivá, stíní rádiový signál a ve styku s hliníkem nebo ocelí způsobují galvanickou korozi kovu, proto styčné plochy izolujte například vrstvou skelné tkaniny.

Otvory a šroubové spoje vyžadují vložky nebo zesílení a omezený utahovací moment. Pro obrábění jsou nutné diamantové nebo diamantem povlakované nástroje a účinné odsávání vodivého a zdraví škodlivého prachu. Nezaměňujte nosný kompozit s filamenty plněnými krátkými uhlíkovými vlákny pro 3D tisk ani s dekorativním „karbonovým vzhledem“, jejichž vlastnosti se mu zdaleka neblíží. U dodavatele si ověřte typ vláken, skladbu vrstev, podíl vláken a výrobní metodu.