Rachel Swaby

när kolfiber först travades ut i solida raketmotorfodral och tankar på 1960-talet var det redo att inte bara ta på glasfiber utan också en hel mängd andra material.

vad hände?

50 år senare är det fortfarande ett exotiskt material. Visst, Batman har det i sin kostym, dyra bilar har smatteringar av det i sina instrumentpaneler och prestandadelar, men på $10 per pund i den låga änden är det fortfarande för pricy för storskalig utplacering. Vi har använt dessa saker i årtionden. Var är vår materialvetenskap Moores lag för att göra det här billigt? Varför är det här fortfarande så dyrt?

visar sig att även ett halvt sekel senare är det här fortfarande en stor smärta i röven att göra.

innan kolfiber blir kolfiber börjar det som ett basmaterial—vanligtvis en organisk polymer med kolatomer som binder samman långa strängar av molekyler som kallas polyakrylonitril. Det är ett stort ord för ett material som liknar akryl i tröjor och mattor. Men till skillnad från golv och kläder akryl, den typ som förvandlas till ett material starkare och lättare än stål har en heftier prislapp. En tre-ish-dollar per pund startpris kanske inte låter orimligt, men i sin tillverkning, antalet spikar.

se, för att få koldelen av kolfiber måste hälften av utgångsmaterialets akryl sparkas bort. ”Slutprodukten kommer att kosta dubbelt vad du började med eftersom hälften brinner av”, förklarar Bob Norris Från Oak Ridge National Laboratory polymer matrix composites group. ”Innan du ens redogör för energi och utrustning är föregångaren i slutprodukten något runt $5 per pund.”

det priset – $5 per pund – är också det magiska numret för att få kolfiber i vanliga fordonsapplikationer. Sju ben kommer att göra, men fem kommer att göra det största stänk. Så som det står har basmaterialet ensam redan blåst budgeten.

det finns mer. Att tvinga akryl att kasta sina icke-kolatomer tar monströsa maskiner och mycket värme. Det första av två stora bearbetningssteg är oxidationsstabilisering. Här matas fibrer kontinuerligt genom 50-100 fot långa ugnar som pumpar ut värme i flera hundra grader Celsius-området. Processen tar timmar, så det är en massiv energiätare.

då går materialet igenom en så kallad karbonisering. Även om ugnarna här är kortare och inte går så länge, arbetar de vid mycket högre temperaturer—vi tar cirka 1000 grader Celsius för det första steget före och sedan ytterligare en uppvärmningsrunda med ännu högre temperaturer. Det är en krafträkning du inte ens vill tänka på.

och det slutar inte där. Tillverkarna måste också ta itu med akryl som inte håller på under uppvärmningsprocessen. Off gaser måste behandlas för att inte förgifta miljön. Det är inte billigt att vara grön. ”Det är mycket energi, mycket fastigheter och mycket stor utrustning”, säger Norris. Och det är bara i tillverkningen av de enskilda fibrerna själva.

Låt oss ta en sekund för att prata om var vi befinner oss i tillverkningsprocessen och var vi försöker få. Den fantastiska, stenhårda, ultralätta, glänsande panelen med sin synliga väv är vad du tänker på när du tänker på kolfiber, eller hur? Tja, vi har just gjort strängarna; vi måste fortfarande ordna dem i ett gitter som utnyttjar materialets enkelriktade styrka och binder dem ihop.

spikning av den vävda produkten innebär att alla strängar drar sin vikt. ”Du måste vara orolig för att fibrerna är alla parallella och sträcker sig jämnt”, förklarar Rob Klawonn, VD för
kolfibertillverkaren, Toho Tenax America. En vågig strand i en gitter kommer att lägga extra stress på en rak fiber, och den raka kommer att sluta bryta först. För att kompensera för möjligheten till en ofullkomlig väv kan tillverkarna tränga in tio procent mer av de redan dyra fibrerna än vad som är nödvändigt.

enbart är strängarna inte de starka saker som tillverkarna behöver. De är en förstärkare som stål är i betong. Just nu arbetar kolfibrer med ett härdharts. Tillsammans gör de en komposit som kan manipuleras för att ta en viss form. Problemet är att när hartset har formats och härdats i en autoklav, kan den formen inte modifieras utan att skruva med produktens strukturella integritet. Ett litet misstag betyder mycket slöseri-och tid. Värmehärdning tar över en timme, vilket är lång tid med tanke på hur snabbt bilindustrin stämplar ut karosspaneler.

så kolfiber kräver inte bara en geni-fix för att få den till en lägre prisklass, det kräver en hel systemöversyn. Som med allt som erbjuder en stor ekonomisk belöning är branschen på den.

dessa Tröja-Typ akryl, till exempel, kan användas i stället för de tillverkare använder nu. ”Utrustningen är mindre specialiserad, så det kan sänka föregångarkostnaden med 20-30 procent”, säger Norris. De checkar också ut förnybara kolfiberstartare som lignin, som kommer från trä, istället för de nuvarande petroleumbaserade grejerna.

alternativa omvandlingsprocesser-nämligen att byta termisk för plasmauppvärmning-kan också sänka kostnaderna. ”Det sänker tiden eftersom du inte behöver värma hela ugnen; du genererar plasma för att omge filamenten,” förklarar Norris.

forskare har inte riktigt spikat den kemiska processen för att få kolfiber att fungera med termoplastiska hartser ganska ännu, antingen. Men när de gör det förutspår Klawonn från Toho Tenax America 60-70% minskning av kostnaden i omvandlingsprocessen. Den stora förändringen är att termoplaster är snabba att ställa in och kan smältas och omsmältas, vilket begränsar avfallet när det finns ett misstag.

förändring är i horisonten. Norris påpekar att kolfiber har installerats i stället för aluminium på nyare kommersiella flygplan som Airbus A380. ”De rör sig mer mainstream, men hittills har det alltid varit i branscher som har råd att betala för prestanda.”Låt oss bara hoppas kostnaden grottor innan de industrier som behöver det gör.

Rachel Swaby är en frilansskribent som bor i San Francisco. Kolla in henne på Twitter.

industriell ugn bild med tillstånd Harper International.

Giz förklarar är där vi bryter ner vad vetenskap eller tekniska frågor kliar på baksidan av våra noggins. Har du egna frågor? Maila dem till oss på [email protected] och vi får se om vi svarar på dem.