Keramika hraje v kontextu motorů závodních automobilů nezastupitelnou roli a nabízí jedinečné vlastnosti, kterým se tradiční kovy nemohou rovnat. Tento materiál má zásadní význam pro zlepšení výkonu, účinnosti a odolnosti v extrémních podmínkách.
Keramika jako materiál používaný v autech
Články na téma závodní motory:
- Závodní motory: výlet do historie
- Proč chceme u závodních motorů co nejvyšší otáčky?
- Nejlepší mezi závodními motory: Cosworth DFV
- Proč závodní motory tak řvou? (1. díl)
- Proč závodní motory tak řvou? (2. díl)
- Proč závodní motory tak řvou? Mají vůbec výfuk? (3. díl)
- Supermateriály, které najdete v závodních motorech: Titan
- Supermateriály, které najdete v závodních motorech: Keramika - právě čtete
- Supermateriály, které najdete v závodních motorech: Hliník
- Supermateriály, které najdete v závodních motorech: Inconel, Electron a další
Seriál o materiálech v závodních spalovacích motorech jsme už začali prvním dílem na téma titanu. Proč zrovna titan? No protože je to jeden z nejpoužívanějších a přitom nejsofistikovanějších materiálů. Titan vlastně odstartoval lety do kosmu. Díky němu se mohly stavět rakety, protože vytvářel superpevné slitiny, které odolaly extrémnímu namáhání. Postupně se objevily i v letectví a pak i v autech.
Dnes se podíváme na první pohled méně zajímavý materiál. Je to keramika. Nebudeme z ní jíst, ale pořádně jí zahřejeme.
Také čtěte
Bacha na teplo!
Jedním z hlavních využití keramiky v závodních motorech je oblast ložisek. Keramická ložiska jsou často upřednostňována před svými kovovými protějšky díky své schopnosti odolávat neuvěřitelně vysokým teplotám bez ztráty strukturální integrity. Tato vlastnost je v závodním provozu, kde motory pracují při extrémních teplotách po dlouhou dobu, klíčová. Keramika je navíc mnohem tvrdší než kovy, což znamená výrazně delší životnost těchto ložisek, čímž se snižuje potřeba údržby a výměny.
Další kritickou aplikací keramiky je potahování ventilů. Vysoce výkonné závodní motory jsou často vybaveny ventily s keramickým povlakem, který zvyšuje jejich schopnost odolávat extrémnímu teplu vznikajícímu ve spalovacím prostoru. Tento povlak nejen zvyšuje životnost ventilů, ale také zlepšuje jejich tepelnou odolnost.
Keramické povlaky se používají také na písty a hlavy válců. Slouží zde dvojímu účelu: zvyšují odolnost součásti vůči teplu a snižují tření. V závodních motorech, kde je nejdůležitější maximalizovat účinnost a výkon, je toto snížení tření významnou výhodou. Umožňuje motoru pracovat plynuleji, s menšími energetickými ztrátami způsobenými teplem a opotřebením, a tím zvyšuje celkový výkon.
Keramika dále nachází uplatnění v systémech přeplňování závodních motorů, zejména v turbínových kolech. Keramické součásti opět odolávají obrovskému teplu a otáčkám, které turbodmychadlo vytváří, aniž by se deformovaly nebo poškodily. Odolnost je nezbytná pro udržení stálého výkonu a spolehlivosti, zejména v prostředí závodů s vysokým zatížením.
To tedy bylo obecně. Teď se pojďme podívat na konkrétní materiály a jejich úžasné vlastnosti.
Keramika CMC
Kompozity s keramickou matricí (CMC), zejména karbid křemíku vyztužený uhlíkovými vlákny (SiC/C), představují revoluční pokrok v materiálech používaných v závodních motorech, protože kombinují odolnost keramiky při vysokých teplotách s pevností a lehkostí uhlíkových vláken.
Ve světě závodů s vysokou přesností a výkonem nabízejí kompozity SiC/C soubor vlastností, které jsou neuvěřitelně vhodné pro požadavky závodní dráhy. Karbid křemíku, hlavní složka, je proslulý svou mimořádnou tvrdostí - druhou nejtvrdší po diamantech. Výjimečná tvrdost se promítá do působivé odolnosti proti opotřebení, což je kritická vlastnost pro součásti motoru, které jsou neustále vystaveny intenzivnímu tření a namáhání. V laboratorních podmínkách vykazuje SiC hodnoty tepelné vodivosti v rozmezí 120 až 200 W/mK, což zajišťuje účinný odvod tepla - klíčový faktor pro udržení optimálního výkonu motoru v extrémních podmínkách závodů.
Slepte to vláknem
Začlenění uhlíkových vláken do této keramické matrice ještě více zvyšuje vlastnosti materiálu. Uhlíková vlákna, známá svou neuvěřitelnou pevností v tahu – často kolem 3 500 MPa – a nízkou hmotností s hustotou přibližně 1,75 g/cm³, významně přispívají k celkovému poměru pevnosti a hmotnosti kompozitu. Výsledkem této synergie je kompozit, který je nejen mimořádně pevný, ale také překvapivě lehký, což je neocenitelná vlastnost při závodech, kde se počítá každý gram.
Praktické využití kompozitů SiC/C v závodních motorech je rozmanité a působivé. Jedním z nejvýznamnějších použití je konstrukce vysoce výkonných brzdových kotoučů. Intenzivní závodní rychlosti vyžadují brzdy, které odolávají extrémním teplotám a tření, aniž by degradovaly. Brzdové kotouče z kompozitů SiC/C se s touto výzvou vypořádávají na jedničku a poskytují výjimečný brzdný výkon, odolnost vůči vysokým teplotám a nižší opotřebení ve srovnání s tradičními materiály.
Kromě brzdových systémů se kompozity SiC/C zkoumají také pro použití v dalších součástech motoru, které těží z odolnosti vůči vysokým teplotám a snížené hmotnosti. Mohlo by se jednat o díly, jako jsou výfukové systémy a některé vnitřní části motoru, kde schopnost materiálu odolávat drsnému prostředí závodního motoru může vést ke zvýšení účinnosti a výkonu.
Zdroj info: Moderní materiály, kolektiv autorů, TUL, 2014 Progresivní materiály, Monika Losertová, VŠB TU Ostrava, 2012 Kovové materiály, Vojtěch Dalibor, VŠCHT Praha, 2006 Engineering Fundamentals of Internal Co.
Zdroj médií: Depositphotos.
Zdroj médií: Depositphotos.
