Rachel Swaby

Als koolstofvezel werd voor het eerst opdraven in solid rocket motor gevallen en tanks in de jaren 1960, het was klaar is om niet alleen op glasvezel, maar ook een hele reeks van andere materialen.

Wat is er gebeurd?

50 jaar later is het nog steeds een exotisch materiaal. Zeker, Batman heeft het in zijn pak, dure auto ‘ s hebben smatterings van het in hun dashboards en prestaties onderdelen, maar bij $10 per pond op de lage kant, het is nog steeds te duur voor grootschalige inzet. We gebruiken dit spul al tientallen jaren. Waar is de wet van Moore om dit spul goedkoop te maken? Waarom is dit spul nog zo duur?

blijkt dat zelfs een halve eeuw later, dit spul nog steeds een grote last is om te maken.

voordat koolstofvezel koolstofvezel wordt, begint het als basismateriaal-meestal een organisch polymeer met koolstofatomen die lange strengen moleculen met elkaar verbinden, polyacrylonitril genoemd. Het is een groot woord voor een materiaal vergelijkbaar met de acryl in truien en tapijten. Maar in tegenstelling tot vloer en kleding acryl, het soort dat verandert in een materiaal sterker en lichter dan staal heeft een aanzienlijk prijskaartje. Een drie-ish-dollar per pond startprijs klinkt misschien niet exorbitant, maar in de productie, het aantal pieken.

Zie, om het koolstofdeel van koolstofvezel te verkrijgen, moet de helft van het acryl van het uitgangsmateriaal worden verwijderd. “Het eindproduct zal het dubbele kosten van wat je begon omdat de helft eraf brandt”, legt Bob Norris van Oak Ridge National Laboratory ‘ s polymer matrix composites group uit. “Voordat je zelfs rekening houden met energie en apparatuur, de voorloper in het eindproduct is iets rond de $5 per pond.”

die prijs – $5 per pond-is ook het magische getal voor het krijgen van koolstofvezel in mainstream automotive toepassingen. Zeven botten is genoeg, maar vijf maken de grootste plons. Zoals het er nu voorstaat, heeft alleen al het basismateriaal de begroting al opgeblazen.

Er is meer. Het dwingen van het acryl om zijn niet-koolstofatomen af te werpen vergt monsterlijke machines en veel warmte. De eerste van twee belangrijke verwerkingsstappen is oxidatiestabilisatie. Hier vezels worden continu gevoed door 50-100 voet-lange ovens pompen warmte uit in de honderden graden Celsius bereik. Het proces duurt uren, dus het is een enorme energie-eter.

dan ondergaat het materiaal een zogenaamde carbonisatie. Hoewel de ovens hier korter zijn en niet zo lang draaien, werken ze bij veel hogere temperaturen—we nemen ongeveer 1000 graden Celsius voor de eerste stap voor en dan nog een ronde van verwarming met nog hogere temperaturen. Dat is een energierekening waar je niet eens aan wilt denken.

en daar eindigt het niet. Fabrikanten hebben ook te maken met het acryl dat niet vasthoudt tijdens het verwarmingsproces. Afgassen moeten worden behandeld om het milieu niet te vergiftigen. Groen zijn is niet goedkoop. “Het is veel energie, veel vastgoed en veel grote apparatuur”, zegt Norris. En dat is alleen bij de productie van de individuele vezels zelf.

laten we een seconde nemen om te praten over waar we zijn in het productieproces, en waar we proberen te krijgen. Dat geweldig uitziende, keiharde, ultralichte, glanzende paneel met zijn zichtbare weefsel is waar je aan denkt als je aan koolstofvezel denkt, toch? Nou, we hebben net de strengen gemaakt; we moeten ze nog steeds rangschikken in een rooster dat gebruik maakt van de unidirectionele kracht van het materiaal en ze aan elkaar bindt.

het nagelen van het geweven product betekent ervoor zorgen dat alle strengen hun gewicht trekken. “Je moet je zorgen maken dat de vezels allemaal parallel lopen en gelijkmatig worden uitgerekt”, legt Rob Klawonn, president van Toho Tenax America, de fabrikant van koolstofvezel, uit. Een golvende streng in een rooster zal extra stress op een rechte vezel, en die rechte zal uiteindelijk breken eerste. Om te compenseren voor de mogelijkheid van een onvolmaakt weefsel, kunnen fabrikanten draad in tien procent meer van de toch al dure vezels dan nodig is.

alleen zijn de strengen niet het sterke spul dat fabrikanten nodig hebben. Ze zijn een versterker zoals staal in beton is. Op dit moment werken koolstofvezels met een thermohardende hars. Samen maken ze een composiet die gemanipuleerd kan worden om een bepaalde vorm aan te nemen. Het probleem is dat zodra de hars is gevormd en uitgehard in een autoclaaf, die vorm niet kan worden gewijzigd zonder schroeven met de structurele integriteit van het product. Een kleine fout betekent veel verspilling—en tijd. Thermosetting duurt meer dan een uur, dat is een lange tijd gezien hoe snel de auto-industrie stempels uit carrosseriepanelen.

dus koolstofvezel vereist niet alleen een geniale oplossing om het in een lagere prijsklasse te krijgen, het vereist een volledige systeemrevisie. Zoals met alles wat een grote financiële beloning, de industrie is op het.

deze acrylverf van het Type Trui kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt in plaats van de acrylverf die fabrikanten nu gebruiken. “De apparatuur is minder gespecialiseerd, dus dat kan de kosten van de precursor met 20-30 procent verlagen”, zegt Norris. Ze kijken ook naar hernieuwbare koolstofvezel starters zoals lignine, die afkomstig is van hout, in plaats van het huidige op aardolie gebaseerde spul.

alternatieve conversieprocessen – namelijk het verwisselen van thermisch voor plasmaverwarming-kunnen ook de kosten verlagen. “Het scheelt tijd omdat je niet de hele oven hoeft te verwarmen; je genereert het plasma om de filamenten heen”, legt Norris uit.

wetenschappers hebben het chemische proces om koolstofvezel te laten werken met thermoplastische harsen ook nog niet helemaal onder de knie. Maar zodra ze dat doen, Klawonn van Toho Tenax Amerika voorspelt 60-70% verlaging van de kosten in het conversieproces. De grote verandering is dat thermoplasten snel kunnen worden ingesteld en kunnen worden gesmolten en opnieuw gesmolten, wat afval beperkt als er een fout is.

verandering is aan de horizon. Norris wijst erop dat koolstofvezel is geïnstalleerd in plaats van aluminium op nieuwere commerciële vliegtuigen zoals de Airbus A380. “Ze bewegen meer mainstream, maar tot nu toe is het altijd geweest in industrieën die zich kunnen veroorloven om te betalen voor de prestaties.”Laten we gewoon hopen dat de kosten grotten voordat de industrieën die het nodig hebben doen.

Rachel Swaby is een freelance schrijfster die woont in San Francisco. Bekijk haar op Twitter.

industriële oven figuur met dank aan Harper International.

Giz legt uit waar we de wetenschappelijke of technische vragen die aan de achterkant van onze noggins krassen, afbreken. Heb je zelf vragen? E-mail ze naar ons op [email protected] en we zullen zien of we ze kunnen beantwoorden.