Súlyos téma II.

Mivel a szénszálas polimerek előállítása és megmunkálása a fémekével nem összehasonlítható, temérdek kutatásra és fejlesztésre van még szükség az ipar e szegmensében. Ezeket az anyagokat nem öntik, nem hengerelik, hanem „szövik vagy fontolják”, ragasztják, „égetik”, stb. Hatalmas előnye a technológiának, hogy komplex, nagy terjedelmű elemek is előállíthatók egyetlen darabban. Sajnos azonban ma még nem kiforrott és igen ritka a szénszálas polimerek tömegtermelésének technológiája.

Napjainkban a szénszálak előállítása leggyakrabban poliakrinitrilből (PAN) történik. A szénszálgyártás első lépése a PAN részleges oxidációval történő stabilizációja, ahol a PAN-szálköteget oxigén jelenlétében néhány percig 200–350 °C-on hőkezelik. Az itt létrejött termék az ún. oxidált szál, ami a reakciókörülményektől függően kb. 62% szenet, 21% nitrogént, 13% oxigént és 4% hidrogént tartalmaz.

A második lépés a stabilizált szál pirolízise, más szóval elszenesítése. Ennek során a szálakat inert (oxigénmentes) közegben kb. 800 °C-ra hevítik, így kialakulnak a már szinte kizárólag szénatomot tartalmazó, egymáshoz közvetlenül kapcsolódó aromás gyűrűkből álló láncok. Ez a termék már 90% fölötti széntartalommal bíró szénszál.

A harmadik lépés a grafitizáció, melynek során a szálat kb. 1000-3000 °C-os hőmérsékleten inert atmoszférában nyújtják és hevítik. Ennek eredménye a grafitszál, melynek széntartalma már csaknem 100%. A nyújtás hatására a szénatomok rendkívül erős kötésekkel kristályokba rendeződnek, amelyek többé-kevésbé egy hossztengely mentén láncszerűen helyezkednek el. Ez adja az ilyen típusú szálak rendkívül nagy szilárdságát. A gyártási folyamat befejezéseként mind az oxidált szálakat, mind a szénszálakat a további feldolgozást segítő felületkezeléssel látják el.

Hogy a könnyűépítésben rejlő hatalmas lehetőséget kiaknázzák, a kutatók olyan koncepciókon dolgoznak, melyekkel megvalósítható lenne a szálas polimerekkel történő automatizálható tömegtermelés. „A nagyszériás gép- és járműgyártásban követelmény, hogy a hightech elemek is alacsony költségek mellett legyenek előállíthatók” - hangsúlyozza Frank Henning professzor, a Fraunhofer Intézet kémiai laboratóriumának (ICT) vezetője. Henning többek között olyan gyártástechnológiákat fejleszt, melyek alkalmazásával a hosszú szállal erősített hőre lágyuló műanyagok (LFT) végtelen szálakkal történő erősítése is automatizáltan kivitelezhető. A hosszú üvegszállal vagy szénszállal erősített termoplasztikus alkatrészek a normál szálerősítéssel szemben nagy ütésállóságukkal és szilárdságukkal tűnnek ki, azonban még ezek a tulajdonságok is nagymértékben továbbfejleszthetők végtelen szálak beépítésével – a méretesebb elemeknél problémát jelenhet ugyanis, hogy a nagyobb terheléseknek kitett helyeken károsodhatnak, törhetnek, de a mátrixműanyagba épített helyi végtelen szálerősítéssel az ilyen problémák már csekély tömegnövekedés mellett elkerülhetők. Az ICT kutatói az iparral együttműködve egy LFT technológiával készült homlokfalat teszteltek. A teljesen fémmentes szálerősített alkatrész, mely a fényszórókat, a hűtőventillátort és a motorháztetőzárat tartja, maradéktalanul helytállt a 64 km/h-s sebesség mellett végzett törésteszten.

Az intézet munkatársai azt is vizsgálták, hogy a szálerősített polimerek az olyan nagy igénybevételnek kitett alkatrészeknél is megállják-e a helyüket, mint például az autó keréktárcsái. A teszthez a felniket SMC-ből (Sheet Moulding Compound Material – gyantával átitatott sajtolható üvegpaplan, röviden sajtolópaplan) készítették, mely 30-40% vágott üvegszálból és 60-70% telítetlen poliésztergyanta keverékből áll. Az SMC gyártás lényegében folytonos üzemű lemezgyártást jelent, melynek során két elválasztó fólia között kialakítják a gyantából, üvegszálból és adalékokból a képlékeny, még nem térhálósított, tekercselhető előterméket. Az SMC sajtolása során kb. 20-40 bar nyomáson és 150 °C-os hőmérsékleten 1-2 perc/mm ciklusidő alatt megtörténik a teljes térhálósodás. A ciklus elején az SMC először ömledékállapotba kerül – megfolyik, kitölti a szerszámüreget – majd egy kémiai iniciátor hatására kialakul a térhálós, szálerősített szerkezet. Az eredmények egyértelműen igazolták, hogy a szálerősített műanyagok rendkívül strapabírók; a vizsgálat tárgyát képező keréktárcsák pozitív tulajdonságai messze túlmutattak a ma kedvelt alufelnik jellemzőin.

„A könnyűelemek fejlesztése és alkalmazása korántsem egyszerű feladat – az új anyagokat ugyanis össze kell hangolni az innovatív gyártási- és illesztési technológiákkal” – mondja Henning.

A szendvics a kulcs – kemény és lágy ötvözésével az extrém terhelések ellen

A magas igénybevételnek kitett terjedelmes felületű elemek esetében a legnagyobb potenciál az ún. szendvicsanyagokban rejlik, melyek szerkezetét egy könnyű, lágy szendvicsmag és különösen kemény, tartós borítórétegek alkotják. Ilyen struktúrájú anyagokkal a Fraunhofer kutatói is kísérleteznek, mégpedig a repülőgépgyártáshoz szükséges nagy igénybevételű, magas biztonsági kritériumú alkatrészek hatékony előállításának érdekében.

Az új anyagszerkezetek fejlesztése mellett azonban, a felhasználásuk megfelelőségének megállapítására szolgáló egységes vizsgálati módszerek kialakítására is szükség van. Ezért a kutatók olyan eljárásmódokon dolgoznak, melyek segítségével lehetőség nyílik az anyagok tűrőképességének tesztelésére és speciális számítási módszerekkel – végeselem módszerrel – az alkatrészek erős mechanikai és termikus terhelésekkel szemben mutatott ellenállásának, tartósságának elemzésére.

Szükség van a modellezésre: az űrhajózásban minden grammnak neve van, de még a súlynál is nagyobb figyelmet kell, hogy kapjon az anyagok tartóssága. A hajtómű területén például az anyagok huzamos ideig akár 2000 °C-nak is ki vannak téve. Itt a kerámia-mátrix kompozitok (CMC) játszák a főszerepet, melyek extrém magas hőmérséklet mellet nagyobb szilárdsággal rendelkeznek, mint szobahőmérsékleten, ugyanakkor korrózióállók és rendkívüli a tűrőképességük.

Az ilyen anyagok tulajdonságait a kutatók 2000 °C hőmérsékletig képesek vizsgálni, a kapott értékekből pedig ki tudják számítani az optimális anyagszerkezetet és az alkatrészek működés közbeni pontos viselkedését. A modellezés és az adatok - többek között - kimutatták, hogy az anyagban található ún. mikrostrukturális hibák pozitív hatással vannak a tűrőképességre. Ezek a tapasztalatok ugyanakkor nemcsak az űrhajózásban, hanem a gyártás egyéb területein is előrelépést jelentenek – lásd kerámia féktárcsák az autóiparban.

A cikk a következő számban folytatódik…

Forrás: www.scinexx.de

Varga Balázs