Existuje více než jeden druh uhlíkového vlákna?
Pat Symonds: Ano - uhlíkové vlákno je nadřazený pojem, podobně jako slovo kov. V závislosti na tom, jak jsou vyrobena, mohou být uhlíková vlákna přizpůsobena pro vyšší pevnost, pro vyšší tuhost nebo kombinace mezi tím.
Také mohou být použita s několika odlišnými typy pryskyřice a mohou být tkaná různými způsoby. Každá kombinace má jedinečné vlastnosti, které může designér využívat.
Jaký typ uhlíkových vláken se používá k výrobě vozů Formule 1?
PS: Uhlíková vlákna používaná v F1 se nazývají PAN vlákna, což pochází z polyakrylnitrilu. Po výrobě je tento polymer natahován a oxidován. Pak je vyčištěn procesem, kterému se říká karbonizace: zahrnuje to zahřívání v troubě naplněné dusíkem při 2 500 °C.
Tím se vytvoří jemné uhlíkové filamenty, každé o průměru pětiny lidského vlasu. Tyto filamenty či vlákna jsou impregnována pryskyřicí, která je po vytvrdnutí spojuje dohromady. Jedná se o náročný proces, který vysvětluje vysokou cenu materiálu.
Vrstvy tkaniny uhlíkových vláken jsou tvarovány do formy (foto: Lotus F1 Team)
Jak se využívá pro výrobu dílů F1?
PS: Obvykle je opracován vzorek ze speciálního bloku nástrojové epoxidové pryskyřice, poté je natřen a vyleštěn, aby jeho hladký povrch přesně odpovídal konečnému tvaru. Pak se přes ten vzorek přehne karbonové vlákno a nechá se vytvrdnout, aby došlo k vytvoření formy.
"Tkanina" z uhlíkových vláken se nakupuje s již impregnovanou pryskyřicí. Je z ní vyříznut potřebný tvar a vložen do formy - pro přesné umístění se často používá laser. U velkých dílů, jako je šasi, se nejprve nechá v autoklávu vytvrdnout vnější plášť, pak se aplikuje plástvové (honeycomb) jádro a nakonec je formován vnitřní plášť.
Během procesu v autoklávu se zvyšuje tlak i teplota. Tím dochází k vytvrdnutí pryskyřice, která pak poskytuje vláknům pevnou oporu.
Autoklávy v Milton Keynes (foto: Red Bull Racing)
Nakolik jsou uhlíková vlákna jakožto materiál přizpůsobitelná pro práci s nimi?
PS: Obrovskou výhodou kompozitů z uhlíkových vláken je, že mohou být vrstvena, takže jejich vlastnosti mohou vyhovovat požadovanému směru a účelu. Pokud tedy znáte cestu, kterou se ubírá zatížení komponentem, můžete položit uhlíková vlákna tak, aby se s tím tlakem vyrovnalo.
Materiál je díky tomu efektivní, protože vrstvení může být navrženo tak, aby poskytovalo požadovanou pevnost či tuhost bez přílišného navyšování hmoty. Uhlíková vlákna jsou téměř třikrát pevnější než ocel, přičemž váží pouze pětinu hmotnosti.
Kolik procent vozu F1 je vyrobeno z uhlíkových vláken?
PS: Kolem 80 % pevných částí vozu F1 tvoří uhlíková vlákna. Úžasné ale je, že tvoří pouze 20 % celkové hmotnosti.
Pro přesné umísťování se využívá laser (foto: Lotus F1 Team)
Jaký další potenciál mají?
PS: Největším nepřítelem uhlíkových vláken je teplo, které působí praskání pryskyřičné matrice nesoucí vlákna. Pro vysokoteplotní aplikace - jako například pro brzdy a spojky - se používá materiál známý jako karbon-karbon. Je dražší a náročnější na použití, mohl by však být využit i pro výfukový systém.
Před 30 lety jsem pracoval na motoru z uhlíkových vláken, s nímž se závodilo v šampionátu IMSA. Měl čtyři válce a vážil jen 70 kg. Tato technologie by se mohla znovu objevit poté, co šla její cena dolů. A NASA dokonce vytvořila karbonovou pěnu do chladicích materiálů. V současnosti je pro vozy F1 příliš křehkou - její čas ale přijde.