da kulfiber først blev trukket ud i solide raketmotorkasser og tanke i 1960 ‘ erne, var det klar til ikke kun at påtage sig glasfiber, men også en lang række andre materialer.

seneste Video

denne bro.ser understøtter ikke videoelementet.

Hvad skete der?

50 år senere er det stadig et eksotisk materiale. Sikker på, Batman har det i sin kulør, dyre biler har smatterings af det i deres dashboards og performance dele, men på $10 et pund i den lave ende er det stadig for pricy for bredskala implementering. Vi har brugt disse ting i årtier. Hvor er vores materialevidenskab Moores lov om at gøre disse ting billige? Hvorfor er disse ting stadig så dyre?

G/O Media kan få en kommission

annonce

viser sig, at selv et halvt århundrede senere er disse ting stadig en stor smerte i røvet at gøre.

før kulfiber bliver kulfiber, starter det som et basismateriale—normalt en organisk polymer med carbonatomer, der binder sammen lange strenge af molekyler kaldet en polyacrylonitril. Det er et stort ord for et materiale, der ligner akryl i trøjer og tæpper. Men i modsætning til gulv og tøj akryl, den slags, der bliver til et materiale stærkere og lettere end stål har en heftigere pris. Pund startpris lyder muligvis ikke ublu, men i sin fremstilling stiger antallet.

se, for at få kulstofdelen af kulfiber skal halvdelen af udgangsmaterialets akryl sparkes væk. “Det endelige produkt vil koste det dobbelte af det, du startede med, fordi halvdelen brænder af,” forklarer Bob Norris fra Oak Ridge National Laboratory ‘ s polymermatrice composites group. “Før du selv tegner sig for energi og udstyr, er forløberen i slutproduktet noget omkring $5 et pund.”

den pris—$5 et pund—er også det magiske tal for at få kulfiber til almindelige bilapplikationer. Syv knogler vil gøre, men fem vil gøre det største stænk. Så som det står, har basismaterialet alene allerede sprængt budgettet.

Der er mere. At tvinge akryl til at kaste sine ikke-carbonatomer tager monstrøse maskiner og meget varme. Den første af to store behandlingstrin er oksidiseringsstabilisering. Her føres fibre kontinuerligt gennem 50-100 fodlange ovne, der pumper varme ud i området flere hundrede grader Celsius. Processen tager timer, så det er en massiv energi æder.

derefter går materialet gennem en hvad der kaldes karbonisering. Selvom ovnene her er kortere og ikke kører så længe, fungerer de ved meget højere temperaturer—vi tager omkring 1000 grader Celsius til det første trin før og derefter en anden runde opvarmning med endnu højere temperaturer. Det er en magtregning, du ikke engang vil tænke på.

og det slutter ikke der. Producenter skal også beskæftige sig med akryl, der ikke holder fast under opvarmningsprocessen. Off gasser skal behandles for ikke at forgifte miljøet. Det er ikke billigt at være grøn. “Det er en masse energi, en masse fast ejendom og en masse stort udstyr,” siger Norris. Og det er bare i fremstillingen af de enkelte fibre selv.

lad os tage et sekund til at tale om, hvor vi er i fremstillingsprocessen, og hvor vi forsøger at få. Det fantastiske udseende, stenhård, ultralette, skinnende panel med sin synlige vævning er det, du tænker på, når du tænker på kulfiber, ikke? Nå, vi har lige lavet trådene; vi er stadig nødt til at arrangere dem i et gitter, der udnytter materialets ensrettet styrke og binder dem sammen.

sømning af det vævede produkt betyder at sikre, at alle tråde trækker deres vægt. “Du skal være bekymret for, at fibrene alle er parallelle og alle strækkes jævnt,” forklarer Rob Klavonn, præsident for kulfiberproducenten, Toho Tenaks America. En bølget streng i et gitter vil lægge ekstra stress på en lige fiber, og den lige ender med at bryde først. For at kompensere for muligheden for en ufuldkommen vævning kan producenterne tråkke ti procent mere af de allerede dyre fibre, end det er nødvendigt.

alene, strengene er ikke de stærke ting, som producenterne har brug for. De er en forstærker som stål er i beton. Lige nu arbejder kulfibre med en termohærdende harpiks. Sammen laver de en sammensætning, der kan manipuleres til at tage en bestemt form. Problemet er, at når harpiksen er blevet formet og hærdet i en autoklave, kan denne form ikke ændres uden at skrue med produktets strukturelle integritet. En lille fejl betyder meget spild-og tid. Termohærdning tager over en time, hvilket er lang tid i betragtning af, hvor hurtigt bilindustrien stempler karrosseripaneler ud.

så kulfiber kræver ikke kun en genial løsning for at få det til en lavere prisklasse, det kræver en hel systemoverhaling. Som med alt, der tilbyder en stor økonomisk belønning, er branchen på det.

disse trøje-Type akryl, for eksempel, kan bruges i stedet for dem, som producenterne bruger nu. “Udstyret er mindre specialiseret, så det kan reducere forløberomkostningerne med 20-30 procent,” siger Norris. De tjekker også vedvarende kulfiberstartere som lignin, der kommer fra træ, i stedet for de nuværende oliebaserede ting.

Alternative konverteringsprocesser—nemlig at bytte termisk til plasmaopvarmning—kan også sænke omkostningerne. “Det skærer tiden ned, fordi du ikke behøver at opvarme hele ovnen; du genererer plasmaet til at omslutte filamenterne, ” forklarer Norris.

forskere har heller ikke helt spikret den kemiske proces for at få kulfiber til at arbejde med termoplastiske harpikser. Men når de gør det, forudsiger Toho Tenaks America 60-70% reduktion i omkostningerne i konverteringsprocessen. Den store ændring er, at termoplast er hurtige at indstille og kan smeltes og omsmeltes, hvilket begrænser affald, når der er en fejl.

ændring er i horisonten. Norris påpeger, at kulfiber er installeret i stedet for aluminium på nyere kommercielle passagerfly som Airbus A380. “De bevæger sig mere mainstream, men indtil nu har det altid været i brancher, der har råd til at betale for præstationen.”Lad os bare håbe, at omkostningshulerne før de industrier, der har brug for det, gør.

Rachel er freelance skribent, der bor i San Francisco. Tjek hende ud på kvidre.

industriel ovn billede høflighed Harper International.det forklarer, hvor vi nedbryder uanset videnskab eller tekniske spørgsmål, der skraber på bagsiden af vores noggins. Har du selv spørgsmål? E-mail dem til os på [email protected] og vi får se om at besvare dem.