Karbon – crna magija

Karbonska vlakna poznata su po iznimnoj čvrstoći, maloj masi i velikoj krutosti i kao takva djeluju kao idealan materijal za gradnju broda, no imaju svojih mana

Foto: Ilustracija

Svakoga dana svjedoci smo sve češće upotrebe karbonskih vlakana u brodogradnji i nema sumnje da je karbon široj populaciji nautičara izuzetno privlačan materijal. Karbonska vlakna poznata su po iznimnoj čvrstoći, maloj masi i velikoj krutosti i kao takva djeluju kao idealan materijal za gradnju broda, no nažalost moram neke čitatelje razočarati i reći da nije sve onako kao što se čini. Tužno, ali istinito, karbonska vlakna imaju svojih mana, a objašnjenje nalazimo u njihovim mehaničkim svojstvima.

Čvrstoća

Za karbonska vlakna, dva najvažnija mehanička svojstva su čvrstoća i krutosti, i ne smijemo ih miješati iako je to često praksa. Postoji nekoliko tipova čvrstoće no jedinstvena definicija bila bi ”sposobnost materijala da pod određenim opterećenjem ne pukne”. Bilo da se radi o vlačnom, tlačnom, torzijskom, smičnom ili nekom drugom opterećenju. Čvrstoću nekog materijala najčešće izražavamo preko maksimalnog naprezanja koje taj materijal može izdržati. Naprezanje definiramo kao silu koju materijal podnosi na nekom određenom poprečnom presjeku pa stoga jedinica za naprezanje N/mm2 tj. MPa. Prosječni laminat od karbonskih vlakana koji se koristi na brodu obično je biax, orijentacije 00/900, impregniran epoxidnom smolom i maksimalne vlačne čvrstoća oko 420 MPa. Ako usporedimo ovaj karbonski laminat sa komadom čelika koji ima iste dimenzije i poprečni presjek na kojemu djeluje sila onda će njegova maksimalna vlačna čvrstoća biti 413 MPa s time da je čelik oko 5 puta teži od navedenog karbonskog laminata i kada se sve to usporedi karbon izgleda odlično.

Pitanje krutosti

S druge strane, krutost je svojstvo materijala da se pod opterećenjem ne deformira i dok se deformacije obično mjere u milimetrima produljenja po milimetru (mm/mm) , krutost se mjeri ”modulom elastičnosti” (oznaka ”E”). Jednom kada se zna produljenje materijala za maksimalno naprezanje lako se izračuna modul elastičnost tako da se naprezanje podjeli sa deformacijom što daje jako velike brojeve. Modul elastičnosti za naš laminat iz karbonskih vlakana je 50 GPa (giga paskala) i kada se usporedi sa modulom elastičnosti za čelik koji iznosi oko 200 GPa baš i ne djeluje prevelik no ako se uzme u obzir da je čelik 5 puta teži od karbonskog laminata onda je to druga priča. U usporedbi sa ostalim kompozitnim materijalima (svojstva navedena u tablici) koji se često primjenjuju u brodogradnji, karbon/epoxy laminat je izuzetno čvrst materijal velike krutosti, drugim riječima posjeduje veliku vlačnu čvrstoću i visoki modul elastičnosti.

Apsorpcija energije – zaboravljeni faktor

Iz navedene tablice i ostalih brojčanih veličina koje opisuju karbonske laminate nije vidljivo koliko energije može preuzeti laminat prije nego li dođe do pucanja, a upravo je količina apsorbirane energije kod karbonskih laminata kritična. U posljednje vrijeme karbonske laminate prati loš glas, a evo i zašto. Ako pogledamo sliku 1.

Slika 1.

koja prikazuje zavisnost naprezanja i deformacije za tipične brodske laminate može se vidjeti da je površina ispod krivulje za karbonski laminat manja u odnosu na ostale laminate. S obzirom da površina ispod svake krivulje predstavlja količinu energije potrebnu da dođe do pucanja laminata može se zaključiti da je po tome karbonski laminat najslabiji što se također dobro vidi na slici 2.

Slika 2.

Što točno znači mala apsorpcija energije kod karbonskog laminata? Znači da je karbonski laminat izuzetno krhak, da puca bez upozorenja ( deformacije konstrukcije), da dovodi do katastrofalnih lomova pod velikim dinamičkim opterećenjem i da je jako osjetljiv na zarezna djelovanja i lagana oštećenja. Karbon je također problematičan po pitanju galvanskih struja i čest je slučaj da su galvanske struje kod karbona tolike jake da i aluminij korodira. Što se zdravlja tiče treba napomenuti da su karbonska vlakna kancerogena, pa je brušenje karbonskih laminata opasan posao. Kada se sve uzme u obzir karbon više ne djeluje onako jako privlačno kao što se na prvi pogled činilo.

Pravilna primjena

Ne postoji takva stvar kao što je dobar ili loš materijal, postoji samo dobra i loša primjena. Za što je sve karbon dobar? Za mnogo toga. Neka komponente na brodu, pogotovo regatnom, danas su nezamislive bez upotrebe karbona. Pravilna upotreba karbonskih vlakana daje izuzetne rezultate, a to je najbolje vidljivo na jarbolima iz karbonskih vlakana sa karbonskim sartijama. Upotrebom karbona za izradu rigova na jedrilicama dobivena je struktura koja podnosi jednaka opterećenja uz 40 % do 45 % uštede na masi u odnosu na aluminij. Smanjena masa riga automatski smanjuje i težište broda što rezultira većim stabilitetom i sposobnošću nošenja većih jedara.

Nadalje karbonski jarbol krući je od aluminijskog pa je stoga pod istim opterećenjem manje deformira što za posljedicu ima zadržavanje idealnog kroja jedra. Gledano sa stanovišta aerodinamike karbonski jarbol manjeg je poprečnog presjeka pa stoga stvara i manji otpor od aluminijskog. Ako se još u obzir i uzme da je smanjenjem mase riga smanjeno posrtanje broda koje za sobom povlači pravilnije nastrujavanje vjetra na jedra onda nema sumnje da je primjena karbonskih vlakana na jarbolima prava primjena. Slični efekt ima i smanje mase na krajevima broda, pramcu i krmi, pa u svakom slučaju karbonsko kormilo sa karbonskom osovinom na krmi osim smanjenja mase ima i funkciju smanjenja posrtanja, što u svakom slučaju povećava performanse broda. Druga dobra stvar vezana za karbonsko kormilo je smanjeno savijanje uslijed velike krutosti karbonske osovine kormila pa je stoga i naprezanje u ležajevima puno manje.

Karbonska pojačanja trupa

Lokalno pojačavanje brodske konstrukcije karbonom ili bilo kakvo miješanje karbonskih vlakana sa nekim drugim vlaknima različitih modula elastičnosti najčešće ne daje željene rezultate. Razlog tome je nejednoliko produljenje karbona i onog drugog materijala (npr.kevlar ili E-staklo) pod opterećenjem što rezultira time da zbog svoje velike krutosti (velikog modul elastičnosti) karbon preuzima cjelokupno opterećenje i nakon nekoga vremena puca. Na primjer uzmimo čelično uže nosivosti 1.000 kg i gumeno uže isto tako nosivosti 1.000 kg. Zajedno bi ta dva užeta trebala izdržati opterećenje od 2.000 kg no u stvarnosti to nije slučaj. Ako takvu kombinaciju opteretimo sa utegom od 1.100 kg gumeno uže će se samo malo izdužiti, a čelično će preuzeti kompletno opterećenje i s obzirom da je dimenzionirano samo na 1.000 kg ono pod opterećenjem od 1.100 kg puca.

Nakon pucanja čeličnog užeta cijelo opterećenje preuzima gumeno uže koje se isteže do svojih granica i također puca. Ova situacija može se na isti način primijeniti i na kombinaciju karbonskih vlakana sa nekim drugim vlaknima različitog modula elastičnosti. Jedini materijal s kojim se karbon može kombinirati je S-staklo, no i tu je potreban oprez. Upotreba karbona u brodogradnji poželjna je no prije bilo kakvog lokalnog pojačavanja konstrukcije karbonom potrebno je jako precizno utvrditi maksimalna naprezanje na tom mjestu i tek onda moguće je analizirati što se točno može dobiti i uštediti korištenjem karbona. Moja sugestija svima koji žele pojačavati brodove sa karbonom je da kontaktiraju brodograđevnu struku ili da sve rade iz karbona što je skupo rješenje.

Napisao: Bruno Ančić, ing. brodogradnje, projektant