Karbon w bolidach F1. Jak włókno węglowe wpłynęło na rozwój Formuły 1?

W świecie motoryzacji wszyscy producenci stawiają na rozwój osiągów, poprawę wydajności, zwiększenie mocy i redukcję masy pojazdów. W tym kontekście ogromne znaczenie ma karbon, czyli włókno węglowe, które pozwala znacząco obniżyć wagę konstrukcji przy zachowaniu wysokiej wytrzymałości. Warto podkreślić, że jego szerokie zastosowanie zaczęło się właśnie w Formule 1.

Czym jest karbon?

Karbon, znany również jako włókno węglowe, to kompozyt, czyli materiał złożony z kilku składników o różnych właściwościach, które wspólnie tworzą strukturę o wyjątkowej wytrzymałości i lekkości. W przypadku motoryzacji włókno węglowe stanowi zwykle zbrojenie, a nośnym materiałem jest żywica epoksydowa.

Podstawowym elementem karbonu jest tkanina złożona z pojedynczych włókien węglowych. Do ich produkcji wykorzystuje się polimery organiczne, przede wszystkim poliakrylonitryl (PAN). Jest to związek o bardzo dużej masie cząsteczkowej, którego łańcuchy molekularne zawierają atomy węgla.

Włókna te są poddawane procesowi pirolizy, długiemu i wieloetapowemu działaniu wysokiej temperatury w atmosferze beztlenowej. Kluczowym etapem jest karbonizacja, czyli proces usuwania z włókien wszystkich pierwiastków poza węglem. W efekcie otrzymujemy cienką nić zbudowaną niemal wyłącznie z uporządkowanych struktur węglowych, przypominających swoją budową grafit. To właśnie ten układ atomów odpowiada za wysoką wytrzymałość mechaniczną karbonu przy jego niewielkiej masie.

Jak powstają części z karbonu (włókna węglowego)?

Proces produkcji elementów z włókna węglowego rozpoczyna się od przędzy – nici wykonanej z włókien węglowych. Na tym etapie nici są układane w tkaninę, najczęściej w charakterystyczny splot o nazwie twill, w którym włókna przecinają się pod kątem 90 stopni. Taki układ zapewnia dobrą wytrzymałość mechaniczną w wielu kierunkach, a przy okazji prezentuje się bardzo estetycznie, dlatego często pozostawia się go widocznego w pojazdach sportowych i luksusowych.

Gotowe arkusze tkaniny z włókna węglowego są następnie układane warstwowo, pod różnymi kątami i w odpowiedniej liczbie warstw. Dzięki temu możliwe jest dostosowanie sztywności i wytrzymałości elementu do jego przeznaczenia. Dla przykładu, firma Pagani wykorzystuje specjalistyczne oprogramowanie, które precyzyjnie określa kierunek ułożenia każdej warstwy oraz docelową grubość elementu. Wszystko po to, by nadwozie samochodu było maksymalnie sztywne i lekkie.

Kolejny etap to łączenie warstw włókna węglowego za pomocą syntetycznej żywicy. To właśnie ona odpowiada za zespolenie włókien i nadaje kompozytowi ostateczne właściwości mechaniczne. Pod wpływem wysokiej temperatury żywica twardnieje, tworząc trwałe i sztywne połączenie. Dzięki obecności żywicy włókno węglowe staje się kompozytem, czyli materiałem złożonym z dwóch uzupełniających się składników: zbrojenia (czyli włókien) i lepiszcza (czyli żywicy).

Skoro żywica wymaga ciepła, aby zadziałać, jak wygląda proces utwardzania? Włóknom węglowym temperatura również jest niestraszna, dlatego można je, kolokwialnie mówiąc,„upiec”. I właśnie tak się to odbywa: gotowy element trafia do specjalnego pieca, zwanego autoklawem. Wewnątrz panuje wysoka temperatura i ciśnienie, które pozwalają na równomierne utwardzenie żywicy i uzyskanie bardzo mocnego, jednolitego elementu. To najbardziej precyzyjna metoda produkcji, choć czasochłonna i kosztowna, dlatego najczęściej wykorzystywana jest w lotnictwie i motorsporcie, np. w Formule 1.

Alternatywą dla metody autoklawowej jest tzw. formowanie tłoczne, stosowane m.in. przez BMW. W tym procesie wykorzystuje się podgrzewaną formę składającą się z dwóch części, pomiędzy które wkłada się włókno węglowe nasączone żywicą. Następnie forma jest zamykana, a pod wpływem temperatury i nacisku materiał przyjmuje odpowiedni kształt i utwardza się. Proces ten jest szybszy i bardziej odpowiedni do produkcji wielkoseryjnej, choć wymaga dodatkowej obróbki końcowej i wiąże się z wyższymi kosztami wdrożeniowymi.

Dlaczego karbon jest tak mocny? Właściwości, które podbijają wyścigi i przemysł

Na czym polega fenomen włókna węglowego? Nie tylko na tym, że jest wyjątkowo lekkie. Karbon cechuje się również imponującą wytrzymałością mechaniczną – jest odporny na rozciąganie, ścieranie, wysokie temperatury i działanie wielu substancji chemicznych.

Na uwagę zasługuje również jego sztywność. Nawet podczas intensywnej eksploatacji materiał zachowuje swoje właściwości, a jego struktura nie ulega odkształceniom. Dodatkowo karbon bardzo dobrze tłumi drgania, co ma ogromne znaczenie w konstrukcjach pojazdów wyścigowych.

Włókno węglowe jest około pięć razy lżejsze od stali, przy porównywalnej lub nawet wyższej wytrzymałości na rozciąganie. Taka kombinacja cech (niska masa, wysoka sztywność i odporność na czynniki zewnętrzne) sprawia, że karbon to wymarzony materiał dla inżynierów w motorsporcie, lotnictwie, a coraz częściej również w motoryzacji seryjnej.

Karbon w Formule 1 – jak wyścigi zmieniły podejście do konstrukcji aut?

To właśnie Formuła 1 odegrała kluczową rolę w popularyzacji włókna węglowego w motoryzacji. Jako pierwszy zespół, który zdecydował się na szerokie zastosowanie karbonu, zapisał się w historii McLaren. Co prawda już wcześniej, na początku lat 80., podobne rozwiązanie testował zespół Toleman, jednak z powodu problemów finansowych nie zdołał zadebiutować z nową konstrukcją przed konkurencją.

W efekcie to McLaren MP4/1, zaprojektowany przez Johna Barnarda i zaprezentowany w sezonie 1981, stał się pierwszym bolidem F1 zbudowanym z karbonowego monokoku. Choć początkowo wzbudzało to pewne obawy, zwłaszcza pod względem bezpieczeństwa, projekt okazał się przełomowy.

Na spektakularne sukcesy trzeba było chwilę poczekać, jednak z każdym sezonem rozwój technologii obróbki włókna węglowego przynosił wymierne efekty. Od 1984 roku McLaren rozpoczął dominację w F1, zdobywając mistrzostwa zarówno w klasyfikacji kierowców, jak i konstruktorów.

Doświadczenia zebrane na torze zachęciły Gordona Murraya, głównego konstruktora zespołu, do wykorzystania karbonu przy budowie supersamochodu drogowego – McLarena F1. To jedno z pierwszych aut cywilnych opartych na pełnej karbonowej konstrukcji. Samochód nie tylko pobił rekord prędkości pojazdu drogowego (387,9 km/h), ale w wersji torowej wygrał prestiżowy wyścig 24h Le Mans w 1995 roku.

Dziś zastosowanie włókna węglowego w motorsporcie i produkcji aut sportowych jest już standardem. Dzięki niemu inżynierowie tworzą konstrukcje lżejsze, szybsze i bezpieczniejsze. Karbonowy monokok, będący podstawą budowy bolidu F1, wielokrotnie ratował życie kierowcom podczas potężnych wypadków, co dobitnie pokazuje, że karbon to nie tylko materiał przyszłości, ale i jeden z najważniejszych wynalazków w historii motoryzacji.

Formula Drive – poczuj moc karbonu!

Wszystkie nasze bolidy zostały zbudowane z wysokiej jakości włókna węglowego – materiału, który zrewolucjonizował świat motorsportu, a teraz masz szansę przejechać się jednym z nich.

Podczas wydarzenia Formula Drive – Poprowadź Bolid F1 opowiemy o budowie tych wyjątkowych maszyn, przybliżymy specyfikę konstrukcji typu single-seater i świat wyścigów open-wheel.

Zajrzyj na www.formula-drive.pl i dowiedz się więcej!