okazuje się, że nawet pół wieku później, to wciąż jest poważny ból w dupie do zrobienia.

zanim włókno węglowe stanie się włóknem węglowym, zaczyna się jako materiał podstawowy-Zwykle organiczny polimer z atomami węgla wiążącymi długie struny cząsteczek zwanych poliakrylonitrylem. To duże słowo na materiał podobny do akrylu w swetrach i dywanach. Ale w przeciwieństwie do akryli podłogowych i odzieżowych, ten rodzaj, który zamienia się w materiał mocniejszy i lżejszy od stali, ma lepszą cenę. Trzy dolary za Funt cena wywoławcza może nie wydawać się wygórowana, ale w jej produkcji liczba skoków.

Zobacz, aby uzyskać część węglową z włókna węglowego, połowa akrylu materiału wyjściowego musi zostać wyrzucona. „Produkt końcowy będzie kosztował dwukrotnie więcej niż na początku, ponieważ połowa się spala”, wyjaśnia Bob Norris Z Oak Ridge National Laboratory ’ s polymer matrix composites group. „Zanim jeszcze rozliczysz się z energią i sprzętem, prekursorem w produkcie końcowym jest coś około $ 5 za Funt.”

Ta cena—$5 za funt—jest również magiczną liczbą dla uzyskania włókna węglowego w głównych zastosowaniach motoryzacyjnych. Siedem kości wystarczy, ale pięć zrobi największy plusk. Tak więc sam materiał bazowy już zawalił budżet.

jest więcej. Zmuszenie akrylu do zrzucenia atomów innych niż węgiel wymaga potwornych maszyn i dużo ciepła. Pierwszym z dwóch głównych etapów przetwarzania jest stabilizacja utleniania. Tutaj włókna są stale podawane przez PIECE o długości 50-100 stóp, wypompowujące ciepło w zakresie kilkuset stopni Celsjusza. Proces trwa godziny, więc jest to ogromny pożeracz energii.

następnie materiał przechodzi tzw. karbonizację. Chociaż piece tutaj są krótsze i nie pracują tak długo, pracują w znacznie wyższych temperaturach-bierzemy około 1000 stopni Celsjusza na wstępnym etapie przed, a następnie kolejną rundę ogrzewania z jeszcze wyższymi temperaturami. To rachunek za prąd, o którym nawet nie chcesz myśleć.

i na tym się nie kończy. Producenci mają również do czynienia z akrylem, który nie trzyma się podczas procesu ogrzewania. Gazy odlotowe muszą być traktowane tak, aby nie zatruwać środowiska. Nie jest tanio być zielonym. „To dużo energii, dużo nieruchomości i dużo dużego sprzętu”, mówi Norris. A to tylko przy wytwarzaniu pojedynczych włókien.

poświęćmy chwilę, aby porozmawiać o tym, gdzie jesteśmy w procesie produkcyjnym i gdzie staramy się uzyskać. Ten niesamowicie wyglądający, twardy jak skała, ultralekki, błyszczący panel z widocznym splotem jest tym, o czym myślisz, gdy myślisz o włóknie węglowym, prawda? Cóż, właśnie zrobiliśmy nici; nadal musimy ułożyć je w kratę, która wykorzystuje jednokierunkową wytrzymałość materiału i łączy je ze sobą.

przybijanie tkanego produktu oznacza upewnienie się, że wszystkie pasma ciągną swój ciężar. „Musisz się martwić, że włókna są równoległe i są równomiernie rozciągnięte”, wyjaśnia Rob Klawonn, prezes
producenta włókien węglowych, Toho Tenax America. Falista nić w kratce spowoduje dodatkowe naprężenie prostego włókna, a ta prosta skończy się łamaniem jako pierwsza. Aby zrekompensować możliwość niedoskonałego splotu, producenci mogą nawleczyć w dziesięć procent więcej już drogich włókien niż jest to konieczne.

same nici nie są mocnymi rzeczami, których producenci potrzebują. Są jak stal w betonie. Obecnie włókna węglowe współpracują z żywicą termoutwardzalną. Razem tworzą kompozyt, który można manipulować, aby przybrać określony kształt. Problem polega na tym, że po ukształtowaniu i utwardzeniu żywicy w autoklawie kształt ten nie może być modyfikowany bez wkręcania w integralność strukturalną produktu. Mały błąd oznacza dużo straty-i czasu. Termoutwardzalne trwa ponad godzinę, co jest długim czasem, biorąc pod uwagę, jak szybko przemysł motoryzacyjny stempluje panele nadwozia.

więc włókno węglowe nie wymaga tylko jednego genialnego rozwiązania, aby uzyskać niższą klasę cenową, wymaga całego przeglądu systemów. Jak w przypadku wszystkiego, co oferuje dużą nagrodę finansową, branża się tym zajmuje.

te akryle mogą być stosowane zamiast tych, których używają obecnie producenci. „Sprzęt jest mniej wyspecjalizowany, co może obniżyć koszt prekursora o 20-30 procent”, mówi Norris. Sprawdzają też odnawialne startery z włókna węglowego, takie jak lignina, która pochodzi z drewna, zamiast obecnych produktów na bazie ropy naftowej.

alternatywne procesy konwersji—a mianowicie Zamiana ciepła na ogrzewanie plazmowe—mogą również obniżyć koszty. „Skraca to czas, ponieważ nie trzeba nagrzewać całego pieca; generujesz plazmę, aby otaczać włókna”, wyjaśnia Norris.

naukowcy jeszcze nie do końca poznali proces chemiczny, aby włókno węglowe mogło pracować z żywicami termoplastycznymi. Ale kiedy to zrobią, Klawonn z Toho Tenax America przewiduje obniżenie kosztów o 60-70% w procesie konwersji. Dużą zmianą jest to, że tworzywa termoplastyczne są szybkie do Ustawienia i mogą być topione i przetopione, co ogranicza odpady, gdy jest błąd.

zmiany są na horyzoncie. Norris zwraca uwagę, że włókno węglowe zostało zainstalowane zamiast aluminium na nowszych komercyjnych samolotach, takich jak Airbus A380. „Poruszają się bardziej w głównym nurcie, ale do tej pory zawsze było to w branżach, które mogą sobie pozwolić na płacenie za wydajność.”Miejmy nadzieję, że koszty będą wyższe niż przemysł, który tego potrzebuje.

Rachel Swaby jest niezależną pisarką mieszkającą w San Francisco. Sprawdź ją na Twitterze.

piec przemysłowy Zdjęcie dzięki uprzejmości Harper International.

Giz wyjasnia, ze jest to miejsce, w ktorym dzielimy sie wszelkimi pytaniami z dziedziny nauki czy techniki. Masz własne pytania? Wyślij je do nas na adres [email protected] zobaczymy, czy im odpowiemy.