når karbonfiber ble først travet ut i solid rakett motor tilfeller og tanker i 1960, Var Det Klar til å ikke bare ta på glassfiber, men også en hel rekke andre materialer.
denne nettleseren støtter ikke videoelementet.
Hva skjedde?
50 år senere er det fortsatt et eksotisk materiale. Visst, Batman har det i sin dress, dyre biler har smatterings av det i dashbord og ytelsesdeler, men på $10 et pund i den lave enden, er det fortsatt for pricy for bred distribusjon. Vi har brukt dette i flere tiår. Hvor er Vår materialvitenskap Moores Lov for å gjøre dette billig? Hvorfor er dette fortsatt så dyrt?G/O Media kan få en kommisjon
Annonse
Viser seg at selv et halvt århundre senere, dette ting er fortsatt en stor smerte i ræva å gjøre.før karbonfiber blir karbonfiber, starter det som et basismateriale-vanligvis en organisk polymer med karbonatomer som binder sammen lange strenger av molekyler kalt en polyakrylonitril. Det er et stort ord for et materiale som ligner på akryl i gensere og tepper. Men i motsetning til gulv og klær akryl, den typen som blir til et materiale sterkere og lettere enn stål har en heftig prislapp. En tre-ish-dollar per pund startpris kan ikke høres ublu, men i sin produksjon, antall pigger.
Annonse
Se, for å få karbondelen av karbonfiber, må halvparten av utgangsmaterialets akryl sparkes bort. «Det endelige produktet vil koste dobbelt så mye som du startet med fordi halvparten brenner av,» forklarer Bob Norris Fra Oak Ridge National Laboratory polymer matrix composites group. «Før du selv står for energi og utstyr, er forløperen i sluttproduktet noe rundt $5 per pund.»Den prisen- $ 5 per pund – er også det magiske tallet for å få karbonfiber til vanlige bilapplikasjoner. Syv bein vil gjøre, men fem vil gjøre det største sprutet. Så som det står, har basismaterialet alene allerede blåst budsjettet.
Det er mer. Å tvinge akrylet til å kaste sine ikke-karbonatomer tar monstrøse maskiner og mye varme. Den første av to store behandlingstrinn er oksidasjonsstabilisering. Her mates fibre kontinuerlig gjennom 50-100 fot lange ovner som pumper ut varme i Flere hundre grader Celsius-området. Prosessen tar timer, så det er en massiv energi eater.
Annonse
så går materialet gjennom en såkalt karbonisering. Selv om ovnene her er kortere og ikke kjører så lenge, opererer de ved mye høyere temperaturer-vi tar rundt 1000 grader Celsius for det første trinnet før og deretter en annen runde med oppvarming med enda høyere temperaturer. Det er en strømregning du ikke engang vil tenke på.
og det slutter ikke der. Produsenter må også håndtere akryl som ikke holder på under oppvarmingsprosessen. Av gasser må behandles for ikke å forgifte miljøet. Det er ikke billig å være grønn. «Det er mye energi, mye eiendom og mye stort utstyr,» sier Norris. Og det er bare i produksjonen av de enkelte fibrene selv.
Annonse
La oss ta et sekund å snakke om hvor vi er i produksjonsprosessen, og hvor vi prøver å få. Det fantastiske, rockhard, ultralette, skinnende panelet med synlig vev er det du tenker på når du tenker på karbonfiber, ikke sant? Vel, vi har nettopp laget strengene; vi har fortsatt å ordne dem inn i et gitter som utnytter materialets ensrettede styrke og binder dem sammen.
Spikring av det vevde produktet betyr at alle strengene trekker vekten. «Du må være bekymret for at fibrene er parallelle og alle strekkes jevnt,» forklarer Rob Klawonn, president for karbonfiberprodusenten Toho Tenax America. En bølgete tråd i et gitter vil sette ekstra stress på en rett fiber, og at rett en vil ende opp med å bryte først. For å kompensere for muligheten for en ufullkommen vev, kan produsentene tråkke i ti prosent mer av de allerede dyre fibrene enn nødvendig.
Annonse
alene er strengene ikke de sterke tingene som produsentene trenger. De er en forsterker som stål er i betong. Akkurat nå arbeider karbonfibre med en termosettharpiks. Sammen lager de et kompositt som kan manipuleres for å ta en viss form. Problemet er at når harpiksen er formet og herdet i en autoklav, kan den formen ikke endres uten å skru med produktets strukturelle integritet. En liten feil betyr mye avfall-og tid. Termosetting tar over en time, noe som er lang tid med tanke på hvor fort bilindustrien stempler ut kroppspaneler.så karbonfiber krever ikke bare en genius fix for å få den til en lavere prisklasse, det krever en hel systemoverhaling. Som med alt som tilbyr en stor økonomisk belønning, er bransjen på den.
Annonse
disse genser-type akryl, for eksempel, kan brukes i stedet for de produsentene bruker nå. «Utstyret er mindre spesialisert, så det kan redusere forløperkostnaden med 20-30 prosent,» sier Norris. De sjekker også fornybare karbonfiberstartere som lignin, som kommer fra tre, i stedet for dagens petroleumsbaserte ting.Alternative konverteringsprosesser – nemlig bytte termisk for plasmaoppvarming – kan også redusere kostnadene. «Det kutter tiden ned fordi du ikke trenger å varme hele ovnen; du genererer plasmaet for å omgir filamentene,» forklarer Norris.
Annonse
Forskere har ikke helt spikret den kjemiske prosessen for å få karbonfiber til å fungere med termoplastiske harpikser helt ennå, heller. Men Når De gjør det, spår Klawonn Av Toho Tenax America 60-70% kutt i kostnadene i konverteringsprosessen. Den store forandringen er at termoplast er raskt å sette og kan smeltes og smeltes om, noe som begrenser avfall når det er en feil.
Endring er i horisonten. Norris påpeker at karbonfiber er installert i stedet for aluminium på nyere kommersielle flyruter som Airbus A380. «De beveger seg mer mainstream, men frem til nå har det alltid vært i bransjer som har råd til å betale for ytelsen.»La oss bare håpe at kostnadene grotter før industriene som trenger det, gjør det.
Annonse
Rachel Swaby er frilansskribent som bor I San Francisco. Sjekk henne ut På Twitter.
Annonse
industriell ovn bilde gjengitt med tillatelse Harper International.Giz Forklarer er hvor vi bryter ned hva vitenskap eller tech spørsmål er skrape på baksiden av våre noggins. Har du egne spørsmål? Send dem til oss på [email protected] og vi får se om å svare på dem.
Annonse