Hvem opdagede kulfiber? En faktatjekket historie

Kulfiber blev ikke opfundet i ét enkelt trin. Joseph Swan anses generelt for at have fremstillet en af de første kulfibre omkring 1860, og Thomas Edison bragte karboniserede cellulosefibre på markedet i 1879. Roger Bacon demonstrerede de første højtydende kulfibre i 1958. Akio Shindo udviklede derefter i 1961 den PAN-baserede fremstillingsmetode, som danner grundlaget for det meste af den kulfiber, der fremstilles i dag.

Den skelnen er vigtig. Swan og Edison fremstillede kulstoffilamenter, der kunne lyse i glødepærer. Bacon viste, hvad næsten perfekte grafitfilamenter kunne præstere mekanisk. Shindo og senere forskere fandt praktiske måder at omdanne polymerforstadier til stærke, sammenhængende forstærkningsfibre.

Hvem opdagede kulfiber? Det korte svar

Hvis man med “kulfiber” mener den allerførste kunstigt fremstillede kultråd, er svaret Joseph Swan. Hvis man mener den første højtydende kulfiber, er svaret Roger Bacon. Hvis det betyder den PAN-baserede fiber, der anvendes i de fleste moderne kulfiberforstærkede polymerer (CFRP), spillede Akio Shindo og det britiske Royal Aircraft Establishment en central rolle i udviklingen heraf.

Hvorfor forskellige kilder angiver forskellige opfindere

Uenigheden skyldes definitionen af kulfiber og ikke blot de historiske optegnelser.

Et filament, der udelukkende består af kulstof og er fremstillet til en lampe, betragtes kemisk set som en kulfiber. Det har imidlertid ikke de mekaniske egenskaber, man forventer af et strukturelt forstærkningsmateriale. I moderne ingeniørvidenskab bruges udtrykket “kulfiber” normalt om kontinuerlige fibre med høj trækstyrke eller stivhed, som kan forstærke en harpiksmatrix.

Kulfiber og et færdigbehandlet kulfiberkompositmateriale er også forskellige materialer. Kulfiber udgør forstærkningen. CFRP kombinerer disse fibre med en polymermatrix, ofte epoxy. Fibrene bærer en stor del af trækbelastningen; matrixen binder dem sammen, overfører belastningen mellem fibrene og giver emnet sin form. Der er ikke én enkelt opfinder, der har skabt hele dette materialesystem.

Joseph Swan og Thomas Edison: kultrådens æra

Joseph Swans eksperimenter med karboniseret papir dateres almindeligvis til omkring 1860. Hans mål var at udvikle en glødetråd til en glødelampe, der kunne lede elektricitet og modstå varme i et vakuum. Materialet var kulstof, men det var ikke beregnet til at forstærke en konstruktionsdel.

Thomas Edison beskæftigede sig med det samme belysningsproblem i slutningen af 1870’erne. American Chemical Society bemærker, at Edison formede bomuldstråde eller bambusspåner til den ønskede form og brændte dem ved høj temperatur. Karboniseringen fjernede ikke-kulstofholdige elementer, samtidig med at glødetrådens form blev bevaret. Edison fortjener derfor muligvis æren for den første kommercielle kulfiber, selvom dens formål var elektrisk snarere end strukturelt.

Disse lampeglødetråde var vigtige forløbere. De beviste, at et cellulose-baseret materiale først kunne fremstilles og derefter omdannes til kulstof. Denne sekvens fra forløber til kulstof indgår stadig i produktionen af kulfiber, selvom nutidens råmaterialer, kontrolprocedurer, ovne, overfladebehandling og ydeevnemål er langt mere avancerede.

Roger Bacon og de første højtydende kulfibre

Roger Bacons opdagelse i 1958 på Union Carbides tekniske center i Parma markerede begyndelsen på den moderne højtydende æra. Mens han undersøgte grafit under høje temperaturer og tryk i en kulbue, fandt Bacon lange grafitfibre i et fast aflejring. De var tynde, fleksible og langt stærkere og stivere i forhold til deres vægt end tidligere kommercielle kulfibre.

Ifølge American Chemical Society, Bacons whiskers nåede en trækstyrke på ca. 20 GPa og et Youngs modul på ca. 700 GPa. Disse tal vedrørte exceptionelle laboratoriefilamenter, ikke økonomisk produktionsfiber. Bacon anslog, at det på det tidspunkt kostede ca. $10 millioner pr. pund at fremstille dem. Opdagelsen fastslog det mekaniske potentiale i fibrøs grafit, men industrien havde stadig brug for en skalerbar proces.

Bacon fremstillede ikke disse whiskers af PAN. Det er en udbredt historisk fejl. Hans amerikanske patent nr. 2.957.756 beskriver trådformet grafit fremstillet i en lysbue. PAN-baseret kulfiber opstod gennem en helt anden forskningsgren.

Fra rayon til kommerciel højmodulfiber

Forskere hos Union Carbide arbejdede også med rayon, en forløber for regenereret cellulose. I 1959 fik Curry Ford og Charles Mitchell patent på en proces, hvor rayongarn og -stof blev varmebehandlet ved temperaturer på op til 3.000 grader Celsius. Det fremstillede materiale blev anvendt i avancerede kompositmaterialer i begyndelsen af 1960’erne.

Rayonbaserede fibre kunne dog stadig ikke måle sig med Bacons grafitwhiskers, hvad angår stivhed. I 1964 strakte Bacon og Wesley Schalamon kulstofgarn, mens de opvarmede det til over 2.800 grader Celsius. Udstrækningen fik grafitlagene til at ligge mere på linje med fiberaksen og øgede Youngs modul cirka ti gange. Union Carbide solgte fibre baseret på denne metode under navnet Thornel.

Denne del af historien er vigtig, fordi den knytter en laboratorieopdagelse sammen med et brugbart kommercielt produkt. Det var dog ikke denne proces, der kom til at dominere det globale marked for strukturelle fibre.

Akio Shindo og den PAN-proces, der anvendes i dag

I 1961 demonstrerede Akio Shindo fra det japanske regeringsinstitut for industriel forskning i Osaka kulfiber med høj styrke og højt modul fremstillet af polyacrylonitril. American Chemical Society rapporterer om et modul på over 140 GPa, hvilket var omkring tre gange så højt som for de rayonbaserede fibre, der var tilgængelige på det tidspunkt. I 1964 havde japanske forskere udviklet processen til pilotproduktion.

I Storbritannien udviklede William Watt og hans kolleger ved Royal Aircraft Establishment i 1964 en PAN-fiber med endnu højere ydeevne. Britiske virksomheder erhvervede licens til teknologien med henblik på kommerciel produktion. Toray Industries forbedrede senere kvaliteten af PAN-forstadiet og indgik i 1970 en fælles teknologiaftale med Union Carbide.

PAN blev dominerende, fordi det bød på en god balance mellem tilgængelighed, bearbejdelighed, kulstofudbytte, trækstyrke og konsistens. SAMPE angiver, at ca. 92% af den nuværende kulfiberproduktion er baseret på PAN. Fibre fremstillet af harpiks er fortsat vigtige i de tilfælde, hvor et meget højt modul eller en meget høj varmeledningsevne retfærdiggør de højere omkostninger.

Hvordan en PAN-forløber bliver til kulfiber

Den moderne PAN-baserede produktion følger den samme overordnede videnskabelige fremgangsmåde, som blev udviklet i denne periode:

1. Spinning: En producent omdanner PAN-polymer til fine forløberfilamenter og trækker dem ud for at orientere molekylkæderne.
2. Stabilisering: Kontrolleret opvarmning i luft omdanner polymeren til en termisk stabil stigestruktur.
3. Karbonisering: En behandling ved højere temperatur i en inert atmosfære fjerner de fleste atomer, der ikke er kulstofatomer.
4. Valgfri behandling ved højere temperatur: Yderligere varmebehandling kan øge modulværdien ved at forbedre den strukturelle orden, hvilket dog som regel går på bekostning af andre egenskaber.
5. Overfladebehandling og limning: Fiberoverfladen forberedes og belægges for at forbedre håndteringen og vedhæftningen til det påtænkte harpikssystem.

Historien forklarer, hvorfor valget af udgangsmateriale stadig har betydning for det færdige emne. PAN, rayon og harpiks giver ikke fibre, der er indbyrdes udskiftelige. Varmebehandlingsbetingelserne påvirker desuden trækstyrke, elasticitetsmodul, varmeledningsevne og omkostninger. En konstruktør vælger derfor en fiberkvalitet og et laminatsystem med henblik på en bestemt belastningssituation, ikke blot på grund af betegnelsen “kulfiber”.”

Hvornår blev kulfiber et konstruktionsmateriale?

Kulfiber blev en praktisk konstruktionsforstærkning i løbet af 1960’erne. Støtte fra det amerikanske luftvåben bidrog til at fremme udviklingen af rayonbaserede fibre til raketdyser, varmeskjolde, missilkomponenter og flykonstruktioner. PAN-teknologien i Japan og Storbritannien førte snart til fremstilling af fibre med bedre ydeevne og større produktionspotentiale.

Den kommercielle udbredelse tog fart i 1970’erne, i takt med at fiberkvaliteten og produktionsmængden blev forbedret. Luftfartsindustrien forblev et af de første markeder, da vægtreduktionen kunne retfærdiggøre omkostningerne til materialer og forarbejdning. Senere gav sportsudstyr og motorsport kulstofkompositter synlige anvendelsesmuligheder for forbrugerne. McLaren MP4/1, der blev introduceret i 1981, forbindes bredt med den første monocoque af kulfiberkomposit, der blev kørt i Formel 1, men Formel 1 opfandt ikke kulfiber.

Hvad denne historie betyder for købere af kulfiber

“Kulfiber” er en materialegruppe, ikke en enkelt specifikation. To sorte vævede laminater kan adskille sig fra hinanden med hensyn til fiberkvalitet, tovstørrelse, vævning, harpiks, fiberretning, fibervolumen, hærdningscyklus, hulrumsindhold og overfladebehandling. Disse variabler har indflydelse på stivhed, slagfasthed, temperaturgrænser, dimensionsstabilitet, udseende og pris.

I forbindelse med et indkøbsprojekt skal man definere delen, før man vælger fremstillingsprocessen. Nyttige oplysninger omfatter belastningsretning, tilladt afbøjning, driftstemperatur, risiko for stødpåvirkning, målvægt, krav til overfladen, årligt volumen, inspektionskriterier og sammenkoblingsflader. Et kosmetisk dæksel og et bærende beslag kan se ens ud, men kræver forskellige materialesystemer og kvalitetskontrol.

Hvis du er ved at vurdere en specialfremstillet CFRP-del, send tegningen, ansøgningen, det forventede antal og ydeevnekravene til en kulstofkompositproducent. Det giver ingeniørteamet tilstrækkelig baggrundsviden til at drøfte fiberarkitektur og støbemuligheder i stedet for udelukkende at basere sig på udseendet.

Ofte stillede spørgsmål

Blev kulfiber opfundet i 1860 eller 1958?

Begge datoer henviser til forskellige milepæle. Omkring 1860 fremstillede Joseph Swan en af de første kulstofglødetråde til belysning. I 1958 demonstrerede Roger Bacon de første højtydende grafitfibre. Opdagelsen fra 1958 er det bedste udgangspunkt for Historien om strukturelle kulfibermaterialer.

Var det Thomas Edison, der opfandt kulfiber?

Edison fremstillede og markedsførte lampetråde af karboniseret cellulose i 1879. Ifølge American Chemical Society kan han have skabt den første kommercielle kulfiber. Han opfandt dog ikke den højtydende forstærkning, der anvendes i moderne CFRP-konstruktioner.

Var det Roger Bacon, der opfandt PAN-baseret kulfiber?

Nej. Bacon opdagede højtydende grafitfibre i en kulstofbue i 1958 og bidrog senere til udviklingen af rayonfibre med højt modul. Akio Shindo gennemførte en vellykket PAN-baseret proces i Japan i 1961. William Watt og Royal Aircraft Establishment forbedrede PAN-fibrenes ydeevne i 1964.

Hvem opfandt kulfiber til Formel 1?

Det var ikke noget Formel 1-hold, der opfandt selve fiberen. McLaren introducerede MP4/1-monocoquen af kulfiberkomposit i 1981 i samarbejde med Hercules Aerospace om kompositstrukturen. Det var en af de første store anvendelser af den eksisterende kulfiberteknologi inden for motorsport.

Hvad er forskellen mellem kulfiber og CFRP?

Kulfiber er det forstærkende filament. CFRP er et kompositmateriale, hvor kulfibre er indlejret i en polymermatrix, typisk epoxy. Fibertypen og -retningen bestemmer i høj grad stivheden og styrken i bestemte retninger, mens matrixen binder fibrene sammen, overfører belastningen og fastlægger emnets form.

Om forfatteren

Teknisk gennemgang af Hank, produktchef