Hiilikuitukomposiitit

Hiilikuitukomposiitit ovat materiaaleja, joissa hiilikuidut toimivat vahvikkeena polymeerimatriisissa, yleensä epoksihartsissa. Kuitujen ansiosta ne tarjoavat erittäin korkean lujuuden ja jäykkyyden suhteessa massaan sekä alhaisen tiheyden. Matriisi sitoo kuidut yhteen, siirtää kuorman, antaa muodon ja suojaa kuituja ympäristön vaikutuksilta.

Ominaisuudet ja suunnittelu: Hiilikuitukomposiitit ovat anisotrooppisia; niiden ominaisuudet riippuvat kuitujen asennuksesta ja määrästä. Ne yhdistävät korkean spesifisen lujuuden ja jäykkyyden sekä hyvän väsymis- ja korroosiosuojan. Lämpötilan kestävyys ja lämpölaajeneminen ovat hallittavissa kuitujen suunnittelulla; suurimmat ominaisuudet ovat kuorman suunnassa.

Valmistus ja prosessit: Yleisimmät muodot ovat jatkuvavahvikkeet CFRP:llä. Valmistusmenetelmiä ovat laminaatti- ja prepreg-käsittely autoklaavissa, resin transfer molding (RTM) sekä vacuum-assisted resin infusion (VARI/VARTM). Myös pultruusio ja eräät tulostusmenetelmät kehittyvät. Prosessointi vaatii tarkkaa lämpötilan, ilman ja paineen hallintaa sekä suunnittelua liitoksissa.

Sovellukset: Keskeisiä käyttökohteita ovat ilmailu- ja autoteollisuus sekä urheilu- ja vapaa-ajan välineet kuten sukset ja golfklubit. Lisäksi niitä käytetään tuulivoimaloiden roottoriin, veneissä ja teollisissa komponenttienrakenteissa, joissa tarvitaan suurta jäykkyyttä ja keveyttä.

Haasteet ja kehityssuuntat: Kustannukset ja valmistusnopeudet sekä vauriotunnistus ja korjaus ovat haasteita. Enemmistö CFRP-komposiiteista on thermosetteja, mikä vaikeuttaa kierrätystä. Thermoplastiset komposiitit tarjoavat parempaa kierrätettävyyttä, mutta tuottavuus ja kustannukset voivat olla suurempia. Tutkimus suuntautuu biohartsien, kierrätettävien kuitujen ja kierräystekniikoiden kehittämiseen sekä suunnittelun dissassembly-ystävällisyyteen ja automatisoidun tuotannon edistämiseen.