Kompozyty włókna węglowego w motorsporcie

Unikalne właściwości włókna węglowego sprawiły, że z warsztatów pracujących nad wyczynowymi konstrukcjami carbon zrobił błyskawiczną karierę w przemyśle motoryzacyjnym. Ten zaawansowany budulec na przestrzeni ostatnich lat podbił serca nie tylko inżynierów branży, ale również i klientów, którzy pokochali carbon nie tyle za jego fizyczne właściwości, ale głównie za efektowny wygląd. I trudno odmówić uroku i dyskretnej elegancji „węglowego” splotu. Zanim jednak materiał ten trafił do konstrukcji samochodów na skalę przemysłową przebył niezwykle barwną i długą drogę.

Kompozyt już jako nazwa kojarzy się większości z nas z zaawansowaną techniką. Jednak często nie zdajemy sobie sprawy, że kompozyty towarzyszą nam niemal od początku cywilizacji. Bo przecież materiały stworzone z co najmniej dwóch składników o różnych właściwościach fizycznych znamy od tysięcy lat. Czym bowiem jest chińska laka czy sklejka używana w prymitywnych łukach jeśli nie kompozytem ?

Zresztą pierwsze wzmianki o łączeniu osnowy wraz z wypełniaczem inaczej nazywanym zbrojeniem, wywodzą się ze starożytnego Egiptu i Mezopotamii. Warto przy tym zauważyć, że wraz ze zrozumieniem zależności fizycznych w materiałach kompozytowych rosła również świadomość potrzeby stworzenia nowych żywic które poprawiałyby paramtery nawet najprostszych materiałów kompozytowych. Na to jednak trzeba było trochę poczekać. Przełomem oka-zał się bowiem dopiero rok 1550 kiedy to po raz pierwszy otrzymano sztuczną żywicę na bazie kazeiny. Kolejnym kamieniem milowym w rozwoju kompozytów był 1839 rok kiedy to Charles Goodyear opracował proces wulkanizacji, łącząc jednocześnie materiał polimerowy z osnową.

I choć wydawać by się to mogło na niedorzeczne to definicja akademicka nie pozostawia złudzeń, że opona jest jednym z przykładów kompozytów i kto wie czy nie pionierskim właśnie w zastosowaniu, w technice motoryzacyjnej. Zresztą ta ostatnia bardzo szybko wymusiła na konstruktorach opracowanie nowych materiałów które można śmiało zaliczyć do kompozytów. Zastosowanie szybko znalazły więc elementy konstrukcyjne wykonane z balsy połączonej z cienką stalową blachą, czy drewno warstwowa-ne z gumą. Jednak to dopiero wynalezienie w 1935 roku włókna szklanego i jego późniejsze wdrożenie do zastosowań militarnych pozwoliło na rozwój najbardziej dziś kojarzonej z kompozytami formy – tkaniny nasączanej żywicą czy też bardziej naukowo – kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami.

Wysoka wytrzymałość mechaniczna żywicy złączonej z włóknem szklanym w połączeniu z niską gęstością materiału a zatem niewielkim ciężarem w połączeniu z dobrą wytrzymałość zmęczeniową oraz udarnością oraz odpornością na korozję szybko zwróciły na siebie uwagę wojska. Nic więc dziwnego, że koniec drugiej wojny światowej alianci świętowali z olbrzymimi nadwyżkami tego materiału pozostałymi po wojennym wyścigu zbrojeń. Spadek cen i zwiększenie dostępności sprawiły, że kompozyty włókna szklanego trafiły szybko do cywila zwracając uwagę amerykańskich producenci desek surfingowych oraz łodzi.

I to najprawdopodobniej dzięki temu, że w tamtym czasie wiele wyścigów w USA rozgrywano w pobliżu plaż to na nowy materiał uwagę zwrócili konstruktorzy samochodów wyścigowych. Pierwsze szerokie zastosowanie włókno szklane znalazło więc w dragsterach jako tworzywo do konstrukcji poszycia nadwozia. Wkrótce rozpoczęto również z powodzeniem wytwarzać całe nadwozia. Było więc kwestią czasu kiedy nowe tworzywo sztuczne zwróci na siebie uwagę wielkich koncernów. I choć na masową skalę włókno szklane wprowadził do użytku jako tworzywo nadwozi Chevrolet w modelu Corvette, to nie był to pierwszy producent aut z tego materiału.

Mało znany w Europie Glasspar G2 dostępny był bowiem w małych seriach już od 1949 roku. Jednak problemy ze wzmocnieniem kompozytowego nadwozia na styku z ramą, które zwyczajnie nie wytrzymywały wibracji dały się we znaki zarówno produktom Glasspara jak i wczesnym egzemplarzom Corvette. Konieczność stosowania o wiele mocniejszej ramy pojazdu oraz opanowanie do perfekcji budowy lekkich nadwozi z aluminum sprawiły natomiast, że włókno szklane traktowano w Europie jedynie jako ciekawostkę.

I obiektywnie trzeba przyznać, że nie było powodu by producenci samochodów sportowych ze starego kontynentu musieli szukać nowych materiałów, bowiem jeszcze w latach 60-tych stworzenie nadwozia samonośnego z włókna szklanego które dorównywałoby wagą oraz sztywnością konstrukcji stalowej lub aluminiowej było praktycznie niewykonalne. To też nawet samochody wyścigowe korzystające z dobrodziejstw kompozytów wykorzystywały przestrzenne konstrukcje ram nośnych lub stalowe płyty podłogowe co zwiększało ich wagę.

Opracowanie w 1962 roku rewolucyjnego Lotusa 25 wyposażonego w aluminiowe nadwozie monocoque a zatem pozbawionego ramy, szybko uwypukliło wady kompozytów włókna szklanego, utwierdzając tym samym konstruktorów, że jedynym słusznym budulcem są stopy aluminium. Nie oznaczało to jednak, że zarzucono pracę nad kompozytami. Wręcz przeciwnie.

Już w połowie lat 60-tych brytyjska firma William Mallinson & Sons opracowała materiał o nazwie Mallite w którym rdzeń wykonany z balsy połączono po obu stronach z arkuszami blachy duraluminiowej. Takie rozwiązanie zapewniało o wiele wyższą wytrzymałość mechaniczną niż włókno szklane i teoretycznie mogło konkurować z aluminum. Pierwszym zespołem wyścigowym który zainteresował się tym tworzywem był McLaren. Model M2B okazał się jednak kompletną klapą.

Monococque wykonany z Mallite’u był ciężki, trudny w budowie a także cierpiał na przypadłość pękania struktury w partiach nośnych. Nie było to jednak spowodowane właściwościami samego materiału a jedynie ówczesnym brakiem zrozumienia jego właściwości i chęci dopasowania go za wszelką cenę do obłych kształtów ówczesnych nadwozi. O ile McLaren szybko zarzucił Mallite jako tworzywo konstrukcyjne, o tyle w prace nad jego zastosowaniem oraz poznaniem fizycznej natury zaangażował się Cosworth.

Tym razem jednak kompozyt miał o wiele więcej zrozumienia wśród inżynierów. Zaprezentowany przez brytyjską firmę w 1969 roku samochód Formuły 1 Cosworth F1 4WD. Wóz ten poza napędem na cztery koła, szokował kształtem nadwozia sprawiającym wrażenie, jak gdyby projektanci zapomnieli o istnieniu krzywych. Ostre linie monocoque’u wymuszone zostały przez właściwości fizyczno – mechaniczne Mallite’u z którego w całości zbudowano nowatorskie nadwozie. Tak uformowany materiał nie tylko zapewniał wysoką wytrzymałość i sztywność struktury ale i stosunkowo niską masę. Niestety wprowadzenie zakazu napędu na cztery koła w F1 sprawiło, że Cosworth nie dostał swojej szansy na wykazanie się na torze wyścigowym kładąc jednak podwaliny pod późniejsze wykorzystanie kompozytów jakie znamy dziś. Jednak, by do tego należało odkryć włókno węglowe.

Pierwsze wzmianki o tym materiale pochodzą z 1879 roku kiedy to Thomas Edison wypalając nici bawełniane oraz celulozowe otrzymał włókno węglowe wełny mineralnej, które zastosowanie znalazło jako ciało świecące w jednej z pierwszych żarówek. I jak to często w historii wielkich wynalazków bywa, zupełnym przypadkiem okazało się, że skarbonizowane włókno ma zauważalnie większą wytrzymałość od niewypalonej nici a na dodatek jest lżejsze. Był to jednak wątek poboczy towarzyszący wynalezieniu żarówki i na zainteresowanie odkryciem Edisona naukowców trzeba było jednak czekać aż do końca lat 50-tych.

W tym czasie w Centrum Technicznym Union Carbide Parma w Ohio rozpoczęto badania nad wytwarzaniem na masową skalę włókna węglowego. Szybko jednak się okazało, że otrzymanie włókna o poziomie nawęglenia przekraczającym 20%jest niemal niemożliwe. Dopiero dr Akio Shindo z Agencji Nauki i Technologii Japonii zmieniając surowiec z bawełny na poliakrylonitryl (PAN) osiągnął nawęglenie na poziomie ok 55%. Jednak na włókno o stopniu nawęglenia powyżej 99% przyszło czekać aż do 1963 roku kiedy to proces wypalania jedwabiu opracowany przez Watta, Phillipsa i Johnsona pracujących dla brytyjskiego Ministerstwa Obrony zrewolucjonizował rynek włókien wysoko wytrzymałościowych.

Trzeba tutaj nadmienić, że o ile włókna nawęglone do ok 90% zaliczane są do włókien węglowych to wartości nawęglenia powyżej 90% klasyfikuje się już jako włókna grafitowe. Co jednak ciekawe to fakt, że włókno węglowe składa się prawie wyłącznie z rozciągniętych struktur węglowych podobnych chemicznie do grafitu. Japończycy nie zamierzali oddawać pola Brytyjczykom i kontynuowali badania nad włóknami wytwarzanymi w technologi PAN, co wkrótce zaprocentowało stworzeniem tańszych materiałów o wyższych parametrach, zapewniając im pozycję lidera na światowych rynkach włókna węglowego.

Dziś włókna węglowe wytwarza się w procesie pirolizy głównie poliakrylonitrylu, a ich właściwości moderuje się dopasowaniem parametrów wytwarzania. Można zatem przyjąć, że ich parametry zależą od konkretnego zamówienia, łączy je jednak wysoce uporządkowana struktura, która z kolei nadaje włóknom węglowym olbrzymią wytrzymałość mechaniczną na rozciąganie i pełzanie oraz wysoki moduł Younga.

Również i wytrzymałość zmęczeniowa wraz z wysoką odpornością na ścieranie współcześnie produkowanych włókien sprawia, że włókna węglowe są dziś jednym z najwytrzymalszych materiałów. Dodatkowo duża stabilność wymiarowa w połączeniu z małą przewodnością cieplną w niskich temperaturach i odpornością na nagłe zmiany temperatury oraz znakomita przewodność elektryczna sprawiają, że włókna węglowego nie da się porównać z żadnym innym materiałem znanym naszej cywilizacji.

Budulec pięciokrotnie wytrzymalszy od stali, którego odpowiednie warstwowanie umożliwia dowolne ustalanie wytrzymałości elementu w każdym z jego obszarów i w dowolnych kierunkach jest wręcz marzeniem każdego konstruktora. Nic więc dziwnego, że tak jak przed drugą wojną światową wojsko zainteresowało się włóknem szklanym, tak i w przypadku włókna węglowego to armia była jedną z pierwszych instytucji wykazujących zainteresowanie tym tworzywem.

Szczególne zainteresowanie kompozytami z włóknem węglowym wykazywali inżynierowie lotniczy co nie było niespodzianką. Materiał ten bardzo szybko dzięki swym właściwościom zdobył olbrzymią sympatię konstruktorów wśród których Brytyjczycy uchodzili za jednych z największych specjalistów. Jednak mający miejsce pod koniec lat 70-tych upadek branży lotniczej Wielkiej Brytanii wywrócił do góry nogami branżę inżynieryjną wyspiarzy.

Doskonale wyedukowani inżynierowie lotniczy z dnia na dzień stali się bezrobotnymi. Ratunkiem dla nich okazał się sport samochodowy z głównym naciskiem na Formułę 1. I to właśnie dzięki napływowi pracowników lotniczych świat motorsportu przypominał sobie o kompozytach. Znane przecież na szeroką skale z lotnictwa włókna węglowe były niemal wymarzonym budulcem dla aut Formuły 1, a ich zastosowanie przerwało swoistą stagnację w konstruowaniu samochodów wyczynowych.

Schemat aluminiowego nadwozia przykrytego owiewkami z włókna szklanego dominował przez całe lata 70-te z powodu wspomnianych wcześniej problemów natury materiałowej. Dzięki włóknom węglowym stan ten miał ulec zmianie raz na zawsze. Już pod koniec lat 70-tych owładnięty manią prześladowczą na punkcie redukcji masy samochodów Lotus, Colin Chapman dał się zarazić swoim inżynierom pomysłem stworzenia kompozytowego podwozia. I niech nie będzie zaskoczeniem, że Lotus przyjął znaną właśnie z branży lotniczej metodę laminacji na „żeńskiej” formie nazywaną „cut and fold”, a polegającą na docinaniu sklejonych ze sobą warstw włókna węglowego pomiędzy którymi umieszczono rdzeń z nomexu.

Poszczególne krzywizny docinano indywidualnie nacinając wewnętrzną część włókna węglowego, co pozwalało zagiąć materiał w pożądanym kierunku. Taka technika laminacji kompozytu mimo, że zapewniała wysoką wytrzymałość struktury, to bardzo ograniczała modelowanie materiału. To też Inżynierowie Lotusa nie zdecydowali się na budowę kompletnego monococque z włókna węglowego ograniczając się jedynie do zastąpienia jedynie bardziej obciążonych fragmentów aluminiowej konstrukcji podwozia. Mimo pionierskich doświadczeń z wykorzystaniem włókna węglowego to jednak nie Lotus dzierży palmę pierwszeństwa jeśli chodzi o stworzenie pierwszego monocoque z Carbonu.

W pierwszej połowie 1980 roku zapomniany dziś angielski zespół Toleman dysponował dwoma egzemplarzami gotowego modelu TG181, którego struktura nośna w wykonana była w całości z carbonu. Niestety na wskutek problemów ze znalezieniem dostawcy silników samochody Tolemana zadebiutowały na torze dopiero w połowie 1981 roku a więc kilka miesięcy później niż McLaren MP4/1, który w świadomości miłośników F1 uchodzi za pierwszą wyścigówkę z carbonowym monocoque.

Warto przy tym przyjrzeć się technologii budowy obydwu aut, bowiem o ile Toleman do budowy swoich aut wykorzystywał podobnie jak Lotus sprawdzoną technikę „cut and fold”, o tyle McLaren MP4/1 korzystał z nowatorskiej i skomplikowanej pod względem budowy narzędzi, techniki laminowania na „męskiej” formie.

W praktyce wyglądało to tak, że wielo segmentowa forma była negatywem wewnętrznej części kokpitu i to właśnie na jej powierzchni laminatorzy układali warstwy włókna węglowego. Podobnie jak w przypadku technologii „cut and fold” struktura laminatu wyposażona była w wypełnienie z nomexu które jednak nie musiało być nacinane, a po umieszczeniu go na spodniej warstwie włókna przykrywane było z góry kolejną tworząc ciągłą strukturę w kształcie niezwykle wytrzymałego „plastra miodu”.

Dodatkowo w wymaganych obszarach, użyto warstw splotu włókna kevlarowego, które w przeciwieństwie do carbonu nie zapewnia sztywności, ale cechuje się wytrzymałością oraz sprężystością. Trzeba przy tym zauważyć, że każda warstwa przesączana była polimerową żywicą epoksydową w sposób manualny za pomocą pędzli. Utwardzony materiał ochrzczono mianem Polimeru wzmocnionego włóknem węglowym – CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer).

Zaawansowany proces budowy zaprojektowany przez Johna Barnarda wymagał pomocy amerykańskiej firmy Hercules Aerospace słynącej z nowatorskich rozwiązań w dziedzinie kompozytów. To też po uprzedniej wysyłce form i narzędzi, pierwszy egzemplarz McLarena MP4/1 zbudowano w USA pod okiem specjalistów Herculesa. W tym czasie w angielskim Woking, w którym znajduje się siedziba McLarena trwały gorączkowe pracy nad instalacją autoklawu, w którym w warunkach podwyższonego ciśnienia można by wygrzać kolejne egzemplarze carbonowego monococque.

Tak narodziła się technologia, która zrewolucjonizowała świat wyścigów samochodowych. Nowa konstrukcja potwierdziła bowiem, że technologia kompozytów wzmacnianych włóknami węglowymi mimo, że skomplikowana i bardzo kosztowna w produkcji, to nie ma sobie równych jeśli chodzi o budowę lek-kich i wytrzymałych struktur narażonych na wysokie obciążenia zmienne. Monocoque McLarena był o 1/3 lżejszy od podwozia wykonanego ze stopów aluminium oraz ponad pięciokrotnie wytrzymalszy, co potwierdziły badania zderzeniowe.

McLaren MP4/1 mimo, że ani nie był pionierem w temacie kompozytów węglowych ani nie zdobył tytułu mistrzowskiego to potwierdził, że technologia CFRP jest słusznym kierunkiem w budowie samochodów wyczynowych, wytyczając ścieżkę dla pozostałych konstruktorów. I o ile jego Zwycięstwo na Silverstone w sezonie 1981 mogło było potwierdzeniem parametrów technicznych, to wypadek przy dużej szybkości na Monzie, raz na zawsze uciął spekulacje malkontentów na temat wytrzymałości włókien węglowych. I pomimo, że McLaren nie był ani pionierem w dziedzinie użycia włókien węglowych, ani w budowie monocoque to zapisał się on złotymi zgłoskami na kartach historii motoryzacji. Jak się miało okazać nie po raz ostatni.