Wie heeft koolstofvezel ontdekt? Een op feiten gebaseerd historisch overzicht

Koolstofvezel is niet in één keer uitgevonden. Joseph Swan wordt doorgaans gezien als degene die rond 1860 een vroege koolstofdraad vervaardigde, en Thomas Edison bracht in 1879 gecarboniseerde cellulosedraden op de markt. Roger Bacon demonstreerde in 1958 de eerste hoogwaardige koolstofvezels. Akio Shindo ontwikkelde vervolgens in 1961 de op PAN gebaseerde productiemethode die ten grondslag ligt aan het grootste deel van de koolstofvezel die tegenwoordig wordt geproduceerd.

Dat onderscheid is van belang. Swan en Edison maakten koolstofdraden die in gloeilampen konden gloeien. Bacon toonde aan wat bijna perfecte grafietdraden mechanisch konden presteren. Shindo en latere onderzoekers vonden praktische manieren om polymeerprecursoren om te zetten in sterke, ononderbroken versterkingsvezels.

Wie heeft koolstofvezel ontdekt? Het korte antwoord

Als met “koolstofvezel” de allereerste door de mens vervaardigde koolstoffilament wordt bedoeld, is het antwoord Joseph Swan. Als daarmee de eerste hoogwaardige koolstofvezel wordt bedoeld, is het antwoord Roger Bacon. Als het verwijst naar de op PAN gebaseerde vezel die in de meeste moderne koolstofvezelversterkte polymeren (CFRP) wordt gebruikt, dan speelden Akio Shindo en het Britse Royal Aircraft Establishment een centrale rol bij de ontwikkeling ervan.

Waarom verschillende bronnen verschillende uitvinders noemen

Het meningsverschil komt voort uit de definitie van koolstofvezel, en niet alleen uit de historische feiten.

Een volledig uit koolstof bestaande filament dat voor een lamp is gemaakt, valt chemisch gezien onder de noemer “koolstofvezel”. Het beschikt echter niet over de mechanische eigenschappen die van een structurele versterking worden verwacht. In de moderne techniek wordt de term ‘koolstofvezel’ doorgaans gebruikt voor continue vezels met een hoge treksterkte of stijfheid die een harsmatrix kunnen versterken.

Koolstofvezel en een afgewerkt koolstofvezelcomposiet zijn ook verschillende materialen. Koolstofvezel dient als versterking. Bij CFRP worden die vezels gecombineerd met een polymeermatrix, vaak epoxy. De vezels dragen een groot deel van de trekbelasting; de matrix houdt ze bij elkaar, verdeelt de belasting over de vezels en geeft het onderdeel zijn vorm. Er is niet één uitvinder die dit hele materiaalsysteem heeft bedacht.

Joseph Swan en Thomas Edison: het tijdperk van de koolstofgloeidraad

De experimenten van Joseph Swan met verkoolde papier worden doorgaans gedateerd rond 1860. Zijn doel was een gloeidraad voor een gloeilamp die elektriciteit kon geleiden en hitte kon weerstaan in een vacuüm. Het materiaal was koolstof, maar het was niet bedoeld om een constructie-element te versterken.

Thomas Edison hield zich eind jaren 1870 bezig met hetzelfde verlichtingsprobleem. De American Chemical Society merkt op dat Edison katoendraadjes of bamboesplinters in de gewenste vorm bracht en deze op hoge temperatuur bakte. Door carbonisatie werden niet-koolstofhoudende elementen verwijderd, terwijl de vorm van de gloeidraad behouden bleef. Edison verdient daarom wellicht de eer voor de eerste commerciële koolstofvezel, ook al was het doel ervan eerder elektrisch dan structureel.

Deze lampgloeidraden waren belangrijke voorlopers. Ze toonden aan dat een materiaal op basis van cellulose eerst kon worden gevormd en daarna in koolstof kon worden omgezet. Die volgorde – van voorloper naar koolstof – maakt nog steeds deel uit van de productie van koolstofvezel, hoewel de grondstoffen, regelingen, ovens, oppervlaktebehandeling en prestatiedoelstellingen tegenwoordig veel geavanceerder zijn.

Roger Bacon en de eerste hoogwaardige koolstofvezels

De ontdekking die Roger Bacon in 1958 deed in het Parma Technical Center van Union Carbide luidde het tijdperk van de moderne hoogwaardige materialen in. Tijdens zijn onderzoek naar grafiet onder hoge temperatuur en druk in een koolstofboog ontdekte Bacon lange grafietwhiskers in een vaste afzetting. Deze waren dun, flexibel en, in verhouding tot hun gewicht, veel sterker en stijver dan eerdere commerciële koolstofvezels.

Volgens de American Chemical Society, De ‘whiskers’ van Bacon bereikten een treksterkte van ongeveer 20 GPa en een Young-modulus van ongeveer 700 GPa. Deze cijfers hadden betrekking op uitzonderlijke laboratoriumvezels, niet op economisch produceerbare vezels. Bacon schatte dat de productiekosten destijds ongeveer $10 miljoen per pond bedroegen. De ontdekking toonde het mechanische potentieel van vezelachtig grafiet aan, maar de industrie had nog steeds behoefte aan een schaalbaar productieproces.

Bacon heeft deze snorharen niet gemaakt van PAN. Dat is een veelvoorkomende historische vergissing. In zijn Amerikaanse octrooi nr. 2.957.756 beschrijft hij filamentair grafiet dat in een elektrische boog wordt geproduceerd. Koolstofvezel op basis van PAN is het resultaat van een afzonderlijke onderzoekslijn.

Van rayon tot commerciële vezel met hoge modulus

Onderzoekers van Union Carbide werkten ook met rayon, een voorloper van geregenereerde cellulose. In 1959 vroegen Curry Ford en Charles Mitchell octrooi aan op een proces waarbij rayonvezels en -weefsel bij temperaturen tot 3.000 graden Celsius werden warmtebehandeld. Het resulterende materiaal werd begin jaren zestig toegepast in geavanceerde composiettoepassingen.

Vezels op basis van rayon bleven qua stijfheid nog steeds achter bij de grafietwhiskers van Bacon. In 1964 rekten Bacon en Wesley Schalamon koolstofgaren uit terwijl ze het tot boven de 2.800 graden Celsius verhitten. Door het uitrekken kwamen de grafietlagen beter in lijn te liggen met de vezelas en nam de Young-modulus ongeveer vertienvoudigd toe. Union Carbide bracht vezels die op deze methode waren gebaseerd onder de naam Thornel op de markt.

Deze tak van het verhaal is van belang omdat hij een laboratoriumontdekking koppelt aan een bruikbaar commercieel product. Het was echter niet het proces dat de wereldwijde markt voor structurele vezels zou gaan domineren.

Akio Shindo en het PAN-proces dat tegenwoordig wordt toegepast

In 1961 demonstreerde Akio Shindo van het Government Industrial Research Institute in Osaka (Japan) koolstofvezel met een hoge sterkte en een hoge modulus, vervaardigd uit polyacrylonitril. De American Chemical Society meldt een modulus van meer dan 140 GPa, ongeveer drie keer zo hoog als die van de destijds beschikbare vezels op basis van rayon. Japanse onderzoekers brachten het proces in 1964 tot proefproductie.

In het Verenigd Koninkrijk ontwikkelden William Watt en zijn collega’s bij het Royal Aircraft Establishment in 1964 een PAN-vezel met nog betere prestaties. Britse bedrijven verwierven een licentie voor de commerciële productie van deze technologie. Toray Industries verbeterde later de kwaliteit van de PAN-precursor en sloot in 1970 een gezamenlijke technologieovereenkomst met Union Carbide.

PAN is de dominante grondstof geworden omdat het een uitstekende balans biedt tussen beschikbaarheid, verwerkbaarheid, koolstofopbrengst, treksterkte en consistentie. Volgens SAMPE is ongeveer 92% van de huidige koolstofvezelproductie op PAN-basis. Van pitch afgeleide vezels blijven belangrijk op gebieden waar een zeer hoge modulus of thermische geleidbaarheid de hogere kosten rechtvaardigt.

Hoe een PAN-voorloper wordt omgezet in koolstofvezel

De moderne, op PAN gebaseerde productie volgt dezelfde algemene wetenschappelijke werkwijze die in deze periode is ontwikkeld:

1. Spinnen: Een fabrikant verwerkt PAN-polymeer tot fijne precursor-filamenten en trekt deze uit om de moleculaire ketens te oriënteren.
2. Stabilisatie: Door gecontroleerde verwarming in lucht verandert het polymeer in een thermisch stabiele ladderstructuur.
3. Carbonisatie: Door een behandeling bij hogere temperatuur in een inerte atmosfeer worden de meeste niet-koolstofatomen verwijderd.
4. Optionele behandeling bij hogere temperatuur: Een verdere warmtebehandeling kan de modulus verhogen door de structurele orde te vergroten, wat doorgaans ten koste gaat van andere eigenschappen.
5. Oppervlaktebehandeling en lijming: Het vezeloppervlak wordt voorbehandeld en gecoat om de verwerking en de hechting met het beoogde harssysteem te verbeteren.

Uit de geschiedenis blijkt waarom de keuze van de grondstof nog steeds van belang is voor het uiteindelijke onderdeel. PAN, rayon en pitch leveren geen onderling uitwisselbare vezels op. Ook de omstandigheden van de warmtebehandeling beïnvloeden de treksterkte, de elasticiteitsmodulus, de warmtegeleiding en de kosten. Een ontwerper kiest daarom een vezelkwaliteit en een laminaatsysteem op basis van een specifieke belastingssituatie, en niet louter op basis van het label “koolstofvezel”.”

Sinds wanneer wordt koolstofvezel als constructiemateriaal gebruikt?

Koolstofvezel werd in de jaren zestig een bruikbaar materiaal voor structurele versterking. Dankzij de steun van de Amerikaanse luchtmacht konden vezels op basis van rayon verder worden ontwikkeld voor raketmondstukken, hitteschilden, onderdelen van raketten en vliegtuigconstructies. Met behulp van de PAN-technologie in Japan en het Verenigd Koninkrijk werden al snel vezels geproduceerd met betere prestaties en productiepotentieel.

In de jaren zeventig nam het commerciële gebruik toe naarmate de kwaliteit van de vezels en het productievolume verbeterden. De lucht- en ruimtevaart bleef een van de eerste afzetmarkten, omdat het verminderen van het gewicht de materiaal- en verwerkingskosten kon rechtvaardigen. Sportartikelen en de motorsport zorgden later voor zichtbare consumententoepassingen van koolstofcomposieten. De McLaren MP4/1, geïntroduceerd in 1981, wordt algemeen gezien als de eerste monocoque van koolstofvezelcomposiet waarmee in Formule 1, maar de Formule 1 heeft koolstofvezel niet uitgevonden.

Wat deze geschiedenis betekent voor kopers van koolstofvezel

“Koolstofvezel” is een materiaalgroep, geen afzonderlijke specificatie. Twee zwarte geweven laminaten kunnen van elkaar verschillen wat betreft vezelkwaliteit, vezeldikte, weefpatroon, hars, vezeloriëntatie, vezelvolume, uithardingscyclus, holle ruimtegehalte en oppervlakteafwerking. Deze variabelen zijn van invloed op de stijfheid, het slaggedrag, de temperatuurgrenzen, de maatvastheid, het uiterlijk en de prijs.

Bij een inkoopproject moet u eerst het onderdeel definiëren voordat u het proces kiest. Nuttige gegevens zijn onder meer de belastingsrichting, de toegestane doorbuiging, de bedrijfstemperatuur, het risico op stoten, het streefgewicht, de oppervlakte-eisen, het jaarlijkse volume, de inspectiecriteria en de koppelingsvlakken. Een decoratieve afdekking en een dragende beugel kunnen er weliswaar hetzelfde uitzien, maar vereisen verschillende materiaalsystemen en kwaliteitscontroles.

Als u een op maat gemaakt CFRP-onderdeel, stuur dan de tekening, de aanvraag, de verwachte hoeveelheid en de prestatie-eisen naar een carboncomposietfabrikant. Hierdoor beschikt het engineeringteam over voldoende achtergrondinformatie om de glasvezelarchitectuur en de vormgevingsmogelijkheden te bespreken, in plaats van zich uitsluitend op het uiterlijk te baseren.

Veelgestelde vragen

Is koolstofvezel in 1860 of in 1958 uitgevonden?

Beide data hebben betrekking op verschillende mijlpalen. Rond 1860 vervaardigde Joseph Swan een vroege koolstofgloeidraad voor verlichting. In 1958 demonstreerde Roger Bacon de eerste hoogwaardige grafietvezels. De ontdekking uit 1958 is het betere uitgangspunt voor de geschiedenis van structurele koolstofvezel.

Heeft Thomas Edison koolstofvezel uitgevonden?

Edison produceerde en bracht in 1879 lampdraden van gecarboniseerde cellulose op de markt. Volgens de American Chemical Society zou hij mogelijk de eerste commerciële koolstofvezel hebben ontwikkeld. Hij heeft echter niet de hoogwaardige versterkingsmaterialen uitgevonden die in moderne CFRP-constructies worden gebruikt.

Heeft Roger Bacon koolstofvezel op basis van PAN uitgevonden?

Nee. Bacon ontdekte in 1958 hoogwaardige grafietkristallen in een koolstofboog en werkte later mee aan de ontwikkeling van rayonvezels met een hoge modulus. Akio Shindo demonstreerde in 1961 in Japan met succes een op PAN gebaseerd proces. William Watt en het Royal Aircraft Establishment verbeterden in 1964 de prestaties van PAN-vezels.

Wie heeft koolstofvezel voor de Formule 1 uitgevonden?

Geen enkel Formule 1-team heeft de vezel zelf uitgevonden. McLaren introduceerde in 1981 de MP4/1-monocoque van koolstofcomposiet, in samenwerking met Hercules Aerospace voor de composietstructuur. Dat was een belangrijke toepassing van de bestaande koolstofvezeltechnologie in de motorsport.

Wat is het verschil tussen koolstofvezel en CFRP?

Koolstofvezel is de versterkende vezel. CFRP is een composietmateriaal waarin koolstofvezels zijn ingebed in een polymeermatrix, meestal epoxy. Het type vezel en de oriëntatie ervan bepalen grotendeels de richtingsafhankelijke stijfheid en sterkte, terwijl de matrix de vezels samenbindt, de belasting overbrengt en de vorm van het onderdeel bepaalt.

Over de auteur

Technische beoordeling door Hank, productmanager