Kompozyt to materiał zbudowany z co najmniej dwóch odrębnych składników — osnowy i wzmocnienia — których połączenie daje właściwości niemożliwe do uzyskania przez żaden z nich osobno. Choć kompozyty naturalne (drewno jako kompozyt celulozy i ligniny, kość jako kompozyt kolagenu i hydroksyapatytu) towarzyszą organizmom żywym od setek milionów lat, inżynieryjne materiały kompozytowe z polimerową osnową są stosunkowo młodym sektorem przemysłowym — dynamicznie rozwinęły się od lat 60. XX wieku, a dziś są nierozerwalnym elementem lotnictwa, motoryzacji, budownictwa i energetyki wiatrowej. Globalny rynek kompozytów polimerowych przekroczył w 2023 roku 130 miliardów dolarów i rośnie w tempie 6–8% rocznie.
Definicja i klasyfikacja kompozytów
Kompozyty polimerowe klasyfikowane są według kilku kryteriów. Według rodzaju wzmocnienia wyróżniamy: kompozyty włókniste (wzmocnienie ciągłymi lub ciętymi włóknami — szklanymi, węglowymi, aramidowymi, bazaltowymi), kompozyty cząsteczkowe (dyspergowane cząstki nieorganiczne — krzemionka, talk, węglan wapnia, nanocząstki) i kompozyty warstwowe (laminaty, panele warstwowe sandwich). Według rodzaju osnowy polimerowej: duroplasty (żywice epoksydowe, poliestrowe, winyloestrowe, fenoloformaldehyd — sieciują nieodwracalnie, wysoka wytrzymałość i sztywność) oraz termoplasty (poliamidy PA, polipropylen PP, polietylen PE, PEEK — mogą być wtórnie przeformowane, lepiej poddają się recyklingowi). Według skali wzmocnienia: konwencjonalne kompozyty (wzmocnienie w skali mikro) i nanokompozyty (wzmocnienie w skali nano — nanogliny, nanorurki węglowe, nanocząstki krzemionki).
Osnowy polimerowe — termoplasty versus duroplasty
Wybór osnowy determinuje właściwości kompozytu i możliwości wytwarzania. Żywice epoksydowe (epoksydowe: bis-fenol A + epichlorohydryna, utwardzane aminami lub bezwodnikami) są preferowaną osnową w aerospace i przemyśle wiatrowym ze względu na niskie skurcze przy utwardzaniu (<3%), doskonałą adhezję do włókna węglowego i wytrzymałość mechaniczną (σu do 80 MPa, E do 4 GPa). Wadą są cena i czas cyklu utwardzania (godziny). Żywice poliestrowe nienasycone, znacznie tańsze, stosowane w łodziach, sanitariatach i konstrukcjach budowlanych, wykazują wyższy skurcz i niższe właściwości mechaniczne. Termoplastyczne osnowy PEEK (polyetheretherketone) i PA6/PA66 z włóknem szklanym lub węglowym są rozwijane jako alternatywa umożliwiająca krótszy cykl wytwarzania (minuty zamiast godzin) i recykling termomechaniczny — kluczowa przewaga w kontekście regulacji GOZ.
Włókna szklane i węglowe
Włókna szklane (typ E: borokrzemian; typ S: krzemian magnezowo-glinowy) wytwarzane przez przeciąganie stopionego szkła przez platynowe dysze dają włókna o średnicy 5–24 µm, wytrzymałości na rozciąganie 2–5 GPa i module 70–90 GPa. Są najtańszym wzmocnieniem (1–3 EUR/kg) i dominują w kompozytach konstrukcyjnych i konsumenckich. Włókna węglowe — pirolizy poliakrylonitrylu (PAN) lub smoły — wytwarzane procesem karbonizacji w atmosferze inertnej (1200–1500°C) i ewentualnej grafityzacji (powyżej 2000°C) dają włókna o wytrzymałości 3,5–7 GPa i module 200–700 GPa, przy gęstości zaledwie 1,8 g/cm³. Stosunek wytrzymałości do masy przekracza 5-krotnie najlepsze stale — stąd dominacja CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer) w lotnictwie (Boeing 787 i Airbus A350 zawierają ponad 50% kompozytów). Cena włókna węglowego (20–100 EUR/kg) ogranicza jego zastosowania do sektorów, gdzie masa krytycznie wpływa na wydajność lub koszty eksploatacji.
Zastosowania w lotnictwie, motoryzacji i budownictwie
W lotnictwie kompozyty CFRP/epoxy zastąpiły aluminium w elementach płatowca (kadłub, skrzydła, usterzenie), redukując masę strukturalną o 20–30% i poprawiając trwałość zmęczeniową. W motoryzacji Formuły 1 monokoki z CFRP stosowano od lat 80., a od 2010 r. CFRP wkracza do produkcji seryjnej (BMW i3, i8 — klatka Life ze strukturalnego CFRP). Masowe wdrożenie ogranicza koszt i trudności z recyklingiem. Przemysł wiatrowy jest największym konsumentem włókna szklanego na świecie — łopata turbiny wiatrowej o długości 60–80 m to niemal wyłącznie kompozyt włóknistoskłenny lub węglowo-szklany/epoxy, wymagający kilkudziesięciu ton osnowy na jedną sztukę. W budownictwie kompozyty GFRP i BFRP (bazalt) wchodzą jako zbrojenie betonu odporne na korozję chlorkową — ich TRL (technology readiness level) jest wystarczający do zastosowań mostowych i nadmorskich infrastruktur.
Polskie ośrodki i kompozyty biodegradowalne
Polska dysponuje aktywną społecznością badawczą w obszarze kompozytów polimerowych. Politechnika Gdańska (Wydział Chemiczny) specjalizuje się w nanokompozytzach epoksydowych z nanocząstkami grafenu i tlenku grafenu. AGH w Krakowie prowadzi prace nad kompozytami metalowymi i ceramicznymi wspomaganymi polimerem. Sieć Łukasiewicz — Instytut Tworzyw Sztucznych i Farb (ŁIT) oraz Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników (IMPiB) są ośrodkami aplikacyjnymi transferu technologii do przemysłu. Na froncie biodegradowalności: kompozyty PLA (polilaktyd) wzmacniany naturalnym włóknem konopnym, lnianym lub sizalowym są aktywnie badane jako alternatywa dla klasycznych GFRP w aplikacjach o krótkim cyklu życia (opakowania, elementy mebli, motoryzacja wtórna). Spełnienie norm EN 13432 dla biodegradacji przemysłowej jest tu możliwe, choć właściwości mechaniczne pozostają niższe niż kompozytów na osnowie duroplastycznej.