Rachel Swaby

când fibra de carbon a fost trapată pentru prima dată în carcase și rezervoare solide pentru rachete în anii 1960, a fost gata să preia nu numai fibra de sticlă, ci și o serie întreagă de alte materiale.

ce s-a întâmplat?

50 de ani mai târziu este încă un material exotic. Sigur, Batman îl are în costum, mașinile scumpe prezintă bucăți de el în tablourile de bord și piesele de performanță, dar la 10 dolari pe kilogram pe capătul inferior, este încă prea scump pentru implementarea pe scară largă. Folosim chestia asta de zeci de ani. Unde este știința materialelor Legea lui Moore pentru a face aceste lucruri ieftine? De ce este chestia asta încă atât de scump?

se pare că, chiar și o jumătate de secol mai târziu, chestia asta este încă o durere majoră în fund pentru a face.înainte ca fibra de carbon să devină fibră de carbon, aceasta începe ca material de bază—de obicei un polimer organic cu atomi de carbon care leagă împreună șiruri lungi de molecule numite poliacrilonitril. Este un cuvânt mare pentru un material similar cu acrilicele din pulovere și covoare. Dar, spre deosebire de podea și îmbrăcăminte acrilice, tipul care se transformă într-un material mai puternic și mai ușor decât oțelul are o etichetă de preț heftier. Un preț de pornire de trei dolari pe kilogram poate să nu sune exorbitant, dar în fabricarea sa, numărul crește.

vezi, pentru a obține partea de carbon din fibra de carbon, jumătate din acrilic materiei prime trebuie să fie dat afară. „Produsul final va costa dublu față de ceea ce ați început, deoarece jumătate arde”, explică Bob Norris de la grupul de compozite cu matrice polimerică Oak Ridge National Laboratory. „Înainte de a ține cont chiar de energie și echipamente, precursorul din produsul final este de aproximativ 5 USD pe kilogram.”

acest preț—5 dolari pe kilogram—este, de asemenea, numărul magic pentru a obține fibra de carbon în aplicațiile auto obișnuite. Șapte oase vor face, dar cinci vor face cea mai mare stropire. Deci, în stadiul actual, materialul de bază singur a suflat deja bugetul.

sunt mai multe. Forțarea acrilicului să-și verse atomii non-carbon necesită mașini monstruoase și multă căldură. Prima dintre cele două etape majore de procesare este stabilizarea oxidării. Aici fibrele sunt alimentate continuu prin cuptoare lungi de 50-100 de picioare care pompează căldură în intervalul de câteva sute de grade Celsius. Procesul durează ore, deci este un consumator masiv de energie.

apoi materialul trece printr-o ceea ce se numește carbonizare. Deși cuptoarele de aici sunt mai scurte și nu funcționează atât de mult, acestea funcționează la temperaturi mult mai ridicate—luăm în jur de 1000 de grade Celsius pentru pasul inițial înainte și apoi o altă rundă de încălzire cu temperaturi și mai ridicate. E o factură de energie la care nici nu vrei să te gândești.

și nu se termină aici. Producătorii trebuie, de asemenea, să se ocupe de acrilicul care nu se menține în timpul procesului de încălzire. Gazele trebuie tratate pentru a nu otrăvi mediul. Nu e ieftin să fii verde. „Este o mulțime de energie, o mulțime de bunuri imobiliare și o mulțime de echipamente mari”, spune Norris. Și asta este doar în fabricarea fibrelor individuale în sine.

Să luăm o secundă pentru a vorbi despre unde suntem în procesul de fabricație, și în cazul în care suntem încercarea de a obține. Acel panou minunat, tare, ultra-ușor, strălucitor, cu țesătura sa vizibilă, este ceea ce vă gândiți când vă gândiți la fibra de carbon, nu? Ei bine, tocmai am făcut firele; încă mai trebuie să le aranjăm într-o rețea care să profite de rezistența unidirecțională a materialului și să le legăm împreună.

cuie produsul țesute înseamnă asigurându-vă că toate firele sunt trăgând greutatea lor. „Trebuie să fii îngrijorat de faptul că fibrele sunt toate paralele și sunt întinse uniform”, explică Rob Klawonn, președintele producătorului de fibre de carbon, Toho Tenax America. Un fir ondulat într-o rețea va pune un stres suplimentar pe o fibră dreaptă, iar cea dreaptă va ajunge să se rupă mai întâi. Pentru a compensa posibilitatea unei țesături imperfecte, producătorii ar putea fileta cu zece procente mai mult din fibrele deja scumpe decât este necesar.

singur, firele nu sunt lucrurile puternice de care au nevoie producătorii. Sunt întăritori ca oțelul în beton. În prezent, fibrele de carbon funcționează cu o rășină termorezistentă. Împreună fac un compozit care poate fi manipulat pentru a lua o anumită formă. Problema este că, odată ce rășina a fost modelată și vindecată într-o autoclavă, acea formă nu poate fi modificată fără a înșuruba integritatea structurală a produsului. O mică greșeală înseamnă o mulțime de deșeuri—și timp. Termosetarea durează peste o oră, ceea ce este mult timp, având în vedere cât de repede industria auto ștampilează panourile caroseriei.

deci fibra de carbon nu necesită doar o soluție genială pentru a o introduce într-o clasă de preț mai mică, ci necesită o revizuire completă a sistemelor. Ca și în cazul oricărui lucru care oferă o recompensă financiară mare, Industria este pe ea.

acele acrilice de Tip Pulover, de exemplu, ar putea fi utilizate în locul celor pe care producătorii le folosesc acum. „Echipamentul este mai puțin specializat, astfel încât ar putea reduce costul precursorului cu 20-30 la sută”, spune Norris. De asemenea, verifică demaroarele din fibră de carbon regenerabilă, cum ar fi lignina, care provine din lemn, în loc de materialele actuale pe bază de petrol.

procesele alternative de conversie—și anume schimbarea termică pentru încălzirea cu plasmă—ar putea reduce și costurile. „Reduce timpul pentru că nu trebuie să încălziți întregul cuptor; generați plasma pentru a înconjura filamentele”, explică Norris.

oamenii de știință nu au bătut în cuie destul de procesul chimic pentru a obține fibra de carbon pentru a lucra cu rășini termoplastice încă, fie. Dar odată ce o fac, Klawonn din Toho Tenax America prezice o reducere de 60-70% a costurilor în procesul de conversie. Marea schimbare este că termoplastele se fixează rapid și pot fi topite și topite, ceea ce limitează deșeurile atunci când există o greșeală.

schimbarea este la orizont. Norris subliniază că fibra de carbon a fost instalată în locul aluminiului pe avioane comerciale mai noi, cum ar fi Airbus A380. „Se mută mai mult în mainstream, dar până acum a fost întotdeauna în industrii care își pot permite să plătească pentru performanță.”Să sperăm că pesteri de cost înainte de industriile care au nevoie de ea face.

Rachel Swaby este un scriitor independent care trăiește în San Francisco. Verificați-o pe Twitter.

cuptor Industrial pentru imagine, multumim Harper International.

Giz explică este în cazul în care vom rupe în jos orice știință sau tech întrebări sunt zgarieturi la spatele noggins noastre. Ai întrebări proprii? E-mail-le la noi la [email protected] și vom vedea să le răspundem.