Rachel Swaby

Když uhlíkových vláken byl poprvé vyrukovali v pevných raketových motorů a nádrže v roce 1960, to byl připravený nejen na laminát, ale také celou řadu dalších materiálů.

co se stalo?

o 50 let později je to stále exotický materiál. Jistě, Batman je v jeho oblek, drahé automobily funkce smatterings v jejich panely a části výkonu, ale na 10 dolarů za libru na low-end, pořád je to moc drahé pro široké nasazení. Používáme to už desítky let. Kde je naše materiálová věda Moorův zákon, aby to bylo levné? Proč je to pořád tak drahé?

Ukázalo se, že i půl století později, tohle je ještě větší osina v zadku.

Před uhlíkových vláken se stává uhlíkových vláken, spustí se jako základní materiál—obvykle organické polymery s atomy uhlíku, vazby spolu dlouhé řetězce molekul se nazývá polyakrylonitrilu. Je to velké slovo pro materiál podobný akrylům ve svetrech a kobercích. Ale na rozdíl od podlahových a oděvních akrylů, druh, který se změní na materiál silnější a lehčí než ocel, má silnější cenu. Vyvolávací cena za tři dolary za libru nemusí znít přemrštěně, ale při její výrobě se počet zvyšuje.

Chcete – li získat uhlíkovou část uhlíkových vláken, musí být polovina akrylu výchozího materiálu vykopnuta. „Konečný produkt bude stát dvojnásobek toho, s čím jste začali, protože polovina shoří,“ vysvětluje Bob Norris ze skupiny polymer matrix composites Oak Ridge National Laboratory. „Ještě předtím, než účet za energii a zařízení, prekurzor v konečném produktu je něco kolem 5 dolarů za libru.“

tato cena-5$za libru – je také magickým číslem pro získání uhlíkových vláken do běžných automobilových aplikací. Sedm kostí bude stačit, ale pět udělá největší rozruch. Takže jak to stojí, samotný základní materiál již rozpočet vyhodil do povětří.

Existuje více. Vynucení akrylu, aby se zbavil svých atomů bez uhlíku, vyžaduje monstrózní stroje a spoustu tepla. Prvním ze dvou hlavních kroků zpracování je oxidační stabilizace. Zde jsou vlákna nepřetržitě přiváděna přes 50-100 stop dlouhé pece, které čerpají teplo v rozmezí několika set stupňů Celsia. Proces trvá hodiny, takže je to obrovský energetický jedlík.

pak materiál prochází takzvanou karbonizací. I když jsou zde pece kratší a neběží tak dlouho, pracují při mnohem vyšších teplotách—pro počáteční krok před a pak další kolo ohřevu s ještě vyššími teplotami bereme kolem 1000 stupňů Celsia. To je zákon o moci, o kterém ani nechceš přemýšlet.

a tím to nekončí. Výrobci se také musí vypořádat s akrylem, který se během procesu ohřevu neudrží. Je třeba ošetřit plyny, aby nedošlo k otravě životního prostředí. Není levné být zelený. „Je to spousta energie, spousta nemovitostí a spousta velkého vybavení,“ říká Norris. A to jen při výrobě jednotlivých vláken samotných.

Pojďme si promluvit o tom, kde jsme ve výrobním procesu, a kam se chceme dostat. Ten úžasně vypadající, rock-hard, ultralehký, lesklý panel s viditelnou vazbou je to, na co si myslíte, když si myslíte o uhlíkových vláknech,že? No, právě jsme udělali prameny; stále je musíme uspořádat do mříže, která využije jednosměrné síly materiálu a spojí je dohromady.

přibíjení tkaného výrobku znamená zajistit, aby všechny prameny táhly svou váhu. „Musíte být znepokojen tím, že vlákna jsou rovnoběžné a jsou natažené rovnoměrně,“ vysvětluje Rob Klawonn, prezident
uhlíkových vláken výrobce, Toho Tenax Americe. Vlnitý pramen v mřížce bude klást zvláštní důraz na rovné vlákno a ten rovný se nakonec rozbije jako první. Pro kompenzaci možnosti nedokonalé vazby by výrobci mohli navléknout o deset procent více již drahých vláken, než je nutné.

samotné prameny nejsou silné věci, které výrobci potřebují. Jsou to výztuže, jako je ocel v betonu. Právě teď uhlíková vlákna pracují s termosetovou pryskyřicí. Společně vytvářejí kompozit, se kterým lze manipulovat, aby získal určitý tvar. Problém je, že jakmile se pryskyřice byl formován a vytvrzen v autoklávu, že tvar nelze změnit bez šroubování s produktem strukturální integritu. Malá chyba znamená spoustu plýtvání-a času. Termosetické trvá přes hodinu, což je dlouhá doba vzhledem k tomu, jak rychle automobilovém průmyslu razítka z panelů karoserie.

takže uhlíkové vlákno nevyžaduje pouze jednu opravu genius, aby se dostalo do nižší cenové třídy, vyžaduje generální opravu celého systému. Stejně jako u všeho, co nabízí velkou finanční odměnu, je na tom průmysl.

tyto akrylové svetry mohou být například použity místo těch, které výrobci používají nyní. „Zařízení je méně specializované, takže by to mohlo snížit náklady na prekurzor o 20-30 procent,“ říká Norris. Jsou také mimo kontrolu obnovitelných uhlíkových vláken startéry, jako je lignin, který pochází ze dřeva, namísto současných věcí na bázi ropy.

alternativní procesy přeměny-jmenovitě výměna tepla za plazmové vytápění-by mohly také snížit náklady. „Zkracuje to čas, protože nemusíte ohřívat celou pec; generujete plazmu, která obklopuje vlákna, “ vysvětluje Norris.

Vědci ještě docela přibitý chemický proces, aby se uhlíkového vlákna pro práci s termoplasty docela ještě, a to buď. Ale jakmile to udělají, Klawonn z Toho Tenax America předpovídá 60-70% snížení nákladů v procesu přeměny. Velkou změnou je, že termoplasty se rychle nastavují a lze je roztavit a přetavit, což omezuje odpad, když dojde k chybě.

změna je na obzoru. Norris poukazuje na to, že uhlíkové vlákno bylo instalováno místo hliníku na novějších komerčních letadlech, jako je Airbus A380. „Pohybují se více mainstreamem, ale až dosud to bylo vždy v průmyslových odvětvích, která si mohou dovolit platit za výkon.“Doufejme, že náklady jeskyně před průmysly, které to potřebují dělat.

Rachel Swaby je spisovatelka na volné noze žijící v San Franciscu. Podívejte se na ni na Twitteru.

průmyslová trouba obrázek se svolením Harper International.

Giz Vysvětluje, je to, kde jsme se rozebrat, co věda nebo tech otázky jsou škrábání na zádech společný dýchánek. Máte vlastní otázky? Pošlete nám e-mail na adresu [email protected] a uvidíme, jak na ně odpovíme.