A CFRP a jövő autóipari szerkezeti anyaga

A CFRP*, a szénszál-erősítésű műanyag a 21. század autóiparának kulcsfontosságú alapanyaga, amely döntő szerepet játszik a járművek tömegének csökkentésében, s ezzel a tűzelőanyag-fogyasztás és a széndioxid-kibocsátás mérséklésében. Az SGL Automotive Carbon Fibers (az SGL Group a szénalapú anyagok és termékek világszerte egyik vezető gyártójának vállalata) a BMW Group és az SGL Group vegyesvállalataként 2009-ben jött létre. Az autóiparban a szénszálak iránt mutatkozó jelentős kereslet indokolja, hogy az SGL Automotive Carbon Fibers és a BMW Group vegyesvállalati partnerként a szénszál-előállító üzemének termelőkapacitását gyárbővítéssel középtávon a többszörösére növelje – jelentette be dr. Jürgen Köhler, az SGL Group elnök-vezérigazgatója. Az SGL Automotive Carbon Fibers mindössze négy év leforgása alatt a világ legnagyobb szénszál-előállítójává fejlődött.

A 2015 elejére tervezett bővítéssel a Washington állambeli Moses Lake-i létesítmény a világ legnagyobb szénszál-előállító gyárává lép elő. A beruházás értéke a már eddig invesztált mintegy 100 millión felül további 200 millió dollár. Jelenleg a Moses Lake-i két gyártósor éves szinten mintegy 3000 tonna szénszálat állít elő, kizárólag a BMW „i” modellek számára, középtávon a jelenlegi háromszorosára, vagyis évi 9000 tonnára bővül a kapacitás.

Az egyes poliakrilnitril pászma 100 000 szálból áll, melyből 2 szénszál köteg lesz, egyenként 50-50 ezer karbonszállal a csévélt karbonszál pászma a szénszálas szövet alapanyaga

A szénszál-erősítésű többkomponensű anyagok előállítása

Az autóiparban alkalmazott szénszál-erősítésű kompozit anyagok több lépésben állíthatók elő. Az ehhez szükséges, poliakrilnitril szálon alapuló előtermék az SGL Group és a japán Mitsubishi Rayon Otakében (Japán) készülő gyártmánya. Napjainkban a szénszálak előállítása leggyakrabban poliakrinitrilből (PAN) történik. A poliakrilnitril hosszú, fonalszerű molekula, ami az akrilnitril polimerizációjakor keletkezik.

A poliakrilnitril szálakból a következő lépcsőben, immár a Moses Lake-i gyárban születnek meg a szénszálak.

A stabilizált PAN szál pirolízisével (elszenesítésével) alakul ki a szénszál. Ennek során a szálakat inert (oxigénmentes, például tiszta nitrogén, argon vagy hélium) közegben mintegy 800 °C-ra hevítik. Ezalatt az oxigén és a nitrogén illékony vegyületek (például hidrogén-cianid, ammónia, szén-monoxid) formájában távozik, így kialakulnak a már szinte kizárólag szénatomot tartalmazó, egymáshoz közvetlenül kapcsolódó (kondenzált) aromás gyűrűkből álló lánc. Ez a termék már szénszál, széntartalma már 90% fölötti.

A harmadik lépés a grafitizáció. Ennek során a szálat inert atmoszférában nyújtják és hevítik mintegy 1000–3000 °C-ig. Ennek eredménye a grafitszál, melynek széntartalma már csaknem 100%. A nyújtás a szerkezet megfelelő orientációját szolgálja: 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

Az USA-ban előállított, csévélt szénszálakból a vegyesvállalati egy másik termelési helyszínén, a németországi Wackersdorfban készítenek szénszálas szövetet.

Ez utóbbi adja a BMW landshuti és lipcsei gyárában beépített szénszál-erősítésű műanyag karosszériaelemek alapanyagát. A BMW i modellekben a CFRP máris tekintélyes arányt képvisel az alkalmazott szerkezeti anyagok körében, egyaránt elsőként ilyen mértékben illetve sorozatgyártásban.

A BMW i3 kocsiszekrényének részlete

A szénszálak előállítása meglehetősen energiaigényes folyamat. A gyár Moses Lake-i telepítésének elhatározásában az komoly szerepet játszott, hogy a szénszál-gyártáshoz szükséges energiát vízerőművek állítják elő és nem utolsó sorban, hogy Washington állam energiaárai kedvezőek.

CFRP-komponensek (szénszál-erősítésű műanyagok, kompozitok) nagysorozatú gyártása révén válik lehetővé, hogy ez a különösen könnyű szerkezeti anyag az autóiparban versenyképes áron és nagy mennyiségben legyen felhasználható. A Moses Lake-ben készült szénszálakat eddig kizárólag a BMW i modellekbe épített anyagokhoz használták fel. Ez a jövőben a BMW csoport további modellsorozataiban is lehetővé teszi a szénszálas műanyag alkalmazását. A lipcsei gyárban az idei év eleje óta máris több mint 5 000 BMW i3 készült, a jelenlegi kapacitás eléri a napi száz gépkocsit. A BMW Group emellett BMW M modelljeiben immár több mint tíz éve alkalmazza e szuperkönnyű high-tech szerkezeti anyagot.

*CFRP - Carbon-fiber-reinforced polymer, carbon-fiber-reinforced plastic vagy carbon-fiber reinforced thermoplastic (CFRP, CRP, CFRTP), szénszál erősítésű műanyag. Kompozit. A kompozitgyártás, azaz a szénszálakat vágott szálak, kábelek, vagy azokból készült szőtt, kötött, fonatolt vagy nemszőtt kelmék formájában műanyagba, kerámiába, sőt esetleg fémekbe ágyazzák be, ezzel adva nagy szilárdságot a szerkezetnek.

Forrás: 
www.press.bmwgroup.com/pressclub/p/hu/startpage.html, wikipedia: CFRP, szénszál