Vem upptäckte kolfiber? En faktagranskad historik

Kolfiber uppfanns inte i ett enda steg. Joseph Swan anses allmänt ha tillverkat ett tidigt kolfilament omkring 1860, och Thomas Edison kommersialiserade karboniserade cellulosafilament 1879. Roger Bacon demonstrerade de första högpresterande kolfibrerna 1958. Akio Shindo utvecklade sedan 1961 den PAN-baserade metoden som ligger till grund för den största delen av den kolfiber som tillverkas idag.

Denna skillnad är viktig. Swan och Edison tillverkade koltrådar som kunde lysa i glödlampor. Bacon visade vilka mekaniska egenskaper nästan perfekta grafittrådar kunde ha. Shindo och senare forskare fann praktiska sätt att omvandla polymerprekursorer till starka, kontinuerliga armeringsfibrer.

Vem upptäckte kolfiber? Det korta svaret

Om man med “kolfiber” avser det allra första konstgjorda kolfilamentet, är svaret Joseph Swan. Om man avser den första högpresterande kolfibern, är svaret Roger Bacon. Om det avser den PAN-baserade fibern som används i de flesta moderna kolfiberförstärkta polymerer (CFRP), var Akio Shindo och det brittiska Royal Aircraft Establishment centrala för dess utveckling.

Varför olika källor anger olika uppfinnare

Oenigheten beror på definitionen av kolfiber, inte bara på de historiska uppgifterna.

Ett filament av rent kol som är avsett för en lampa klassas kemiskt sett som kolfiber. Det uppvisar inte de mekaniska egenskaper som förväntas av ett konstruktionsförstärkningsmaterial. Inom modern teknik används termen “kolfiber” vanligtvis för att beteckna kontinuerliga fibrer med hög draghållfasthet eller styvhet som kan förstärka en hartsmatris.

Kolfiber och en färdig kolfiberkomposit är också olika material. Kolfiber utgör förstärkningen. CFRP kombinerar dessa fibrer med en polymermatris, ofta epoxi. Fibrerna bär upp en stor del av dragbelastningen; matrisen binder samman dem, fördelar belastningen mellan fibrerna och ger delen dess form. Det var inte en enda uppfinnare som skapade hela detta materialsystem.

Joseph Swan och Thomas Edison: koltrådens era

Joseph Swans experiment med förkolnat papper brukar dateras till omkring 1860. Hans mål var att ta fram en glödtråd till en glödlampa som kunde leda elektricitet och tåla värme i vakuum. Materialet var kol, men det var inte avsett att förstärka någon konstruktionsdel.

Thomas Edison ägnade sig åt samma belysningsproblem i slutet av 1870-talet. American Chemical Society påpekar att Edison formade bomullstrådar eller bambusplitter till önskad form och bakade dem vid hög temperatur. Genom karboniseringen avlägsnades icke-kolhaltiga beståndsdelar samtidigt som glödtrådens form bevarades. Edison kan därför anses vara den som skapade den första kommersiella kolfibern, även om dess syfte var elektriskt snarare än strukturellt.

Dessa glödtrådar var viktiga föregångare. De visade att ett cellulosabaserat material först kunde formas och sedan omvandlas till kol. Denna sekvens – från föregångare till kol – ingår fortfarande i tillverkningen av kolfiber, även om dagens råmaterial, styrsystem, ugnar, ytbehandling och prestandamål är betydligt mer avancerade.

Roger Bacon och de första högpresterande kolfibrerna

Roger Bacons upptäckt 1958 vid Union Carbides tekniska center i Parma inledde den moderna högpresterande eran. När Bacon studerade grafit under höga temperaturer och högt tryck i en kolbåge upptäckte han långa grafitwhiskers i en fast avlagring. De var tunna, böjliga och betydligt starkare och styvare i förhållande till sin vikt än tidigare kommersiella kolfibrer.

Enligt American Chemical Society, Bacons fibrer uppnådde en draghållfasthet på cirka 20 GPa och ett Youngs modul på cirka 700 GPa. Dessa siffror avsåg exceptionella laboratoriefibrer, inte fiber för kommersiell produktion. Bacon uppskattade att tillverkningskostnaden vid den tiden uppgick till cirka $10 miljoner per pund. Upptäckten bekräftade den mekaniska potentialen hos fibrös grafit, men industrin behövde fortfarande en skalbar tillverkningsprocess.

Bacon tillverkade inte dessa borststrån av PAN. Det är ett vanligt historiskt misstag. Hans amerikanska patent nr 2 957 756 beskriver trådformig grafit som framställs i en ljusbåge. PAN-baserad kolfiber utvecklades genom en helt annan forskningsinriktning.

Från rayon till kommersiell högmodulfiber

Forskare vid Union Carbide arbetade även med rayon, en regenererad cellulosaförprodukt. År 1959 tog Curry Ford och Charles Mitchell patent på en process där rayonfibrer och tyg värmebehandlades vid temperaturer upp till 3 000 grader Celsius. Det resulterande materialet började användas i avancerade kompositapplikationer i början av 1960-talet.

Rayonfibrerna var fortfarande inte lika styva som Bacons grafitwhiskers. År 1964 sträckte Bacon och Wesley Schalamon ut kolgarn samtidigt som de värmde upp det till över 2 800 grader Celsius. Sträckningen gjorde att grafitlagren kom att ligga mer i linje med fiberaxeln, vilket ungefär tiodubblade elasticitetsmodulen. Union Carbide sålde fibrer baserade på denna metod under namnet Thornel.

Denna del av berättelsen är viktig eftersom den kopplar samman en upptäckt i laboratoriet med en användbar kommersiell produkt. Det var dock inte den processen som skulle komma att dominera den globala marknaden för strukturfibrer.

Akio Shindo och den PAN-process som används idag

År 1961 demonstrerade Akio Shindo vid Japans statliga industriella forskningsinstitut i Osaka en kolfiber med hög hållfasthet och hög modul, tillverkad av polyakrylonitril. American Chemical Society rapporterar en modul över 140 GPa, ungefär tre gånger så hög som hos de rayonbaserade fibrer som fanns tillgängliga vid den tiden. Japanska forskare utvecklade processen till pilotproduktion redan 1964.

I Storbritannien utvecklade William Watt och hans kollegor vid Royal Aircraft Establishment år 1964 en PAN-fiber med ännu högre prestanda. Brittiska företag förvärvade licenser för den kommersiella tillverkningen av denna teknik. Toray Industries förbättrade senare kvaliteten på PAN-prekursorn och ingick 1970 ett gemensamt teknikavtal med Union Carbide.

PAN blev dominerande eftersom det erbjöd en bra balans mellan tillgänglighet, bearbetbarhet, kolutbyte, draghållfasthet och jämnhet. Enligt SAMPE är cirka 92% av den nuvarande kolfiberproduktionen PAN-baserad. Fiber framställd ur harts är fortfarande viktig i de fall där mycket hög modul eller värmeledningsförmåga motiverar dess högre kostnad.

Hur en PAN-prekursor blir till kolfiber

Den moderna PAN-baserade produktionen följer samma övergripande vetenskapliga arbetsgång som utvecklades under denna period:

1. Snurrar: En tillverkare omvandlar PAN-polymer till tunna prekursorfilament och drar ut dem för att orientera molekylkedjorna.
2. Stabilisering: Kontrollerad uppvärmning i luft omvandlar polymeren till en termiskt stabil stegstruktur.
3. Karbonisering: En behandling vid högre temperatur i en inert atmosfär avlägsnar de flesta atomer som inte består av kol.
4. Valfri behandling vid högre temperatur: Ytterligare värmebehandling kan höja modulvärdet genom att öka den strukturella ordningen, vilket vanligtvis medför en avvägning mot andra egenskaper.
5. Ytbehandling och limning: Fiberytan förbereds och beläggs för att förbättra hanteringen och vidhäftningen till det avsedda hartssystemet.

Historien förklarar varför valet av utgångsmaterial fortfarande spelar roll för den färdiga delen. PAN, rayon och harts ger inte fram utbytbara fibrer. Värmebehandlingsförhållandena påverkar dessutom draghållfasthet, elasticitetsmodul, värmeledningsförmåga och kostnad. En konstruktör väljer därför en fiberkvalitet och ett laminatsystem utifrån ett specifikt belastningsfall, inte enbart utifrån beteckningen “kolfiber”.”

När började kolfiber användas som konstruktionsmaterial?

Kolfiber blev ett praktiskt förstärkningsmaterial under 1960-talet. Stöd från det amerikanska flygvapnet bidrog till utvecklingen av rayonbaserade fibrer för raketmunstycken, värmesköldar, missilkomponenter och flygplanskonstruktioner. PAN-tekniken i Japan och Storbritannien ledde snart till att man kunde tillverka fibrer med bättre prestanda och större tillverkningspotential.

Den kommersiella användningen ökade under 1970-talet i takt med att fiberkvaliteten och produktionsvolymen förbättrades. Flyg- och rymdindustrin förblev en tidig marknad eftersom viktminskningen kunde motivera material- och bearbetningskostnaderna. Sportartiklar och motorsport gav senare kolkompositerna synliga tillämpningar för konsumenter. McLaren MP4/1, som introducerades 1981, förknippas allmänt med den första monokocken av kolfiberkomposit som tävlade i Formel 1, men Formel 1 uppfann inte kolfiber.

Vad denna historia innebär för köpare av kolfiber

“Kolfiber” är en materialgrupp, inte en enskild specifikation. Två svarta vävda laminat kan skilja sig åt vad gäller fiberkvalitet, fiberbuntstorlek, vävning, harts, fiberorientering, fibervolym, härdningscykel, porhalt och ytfinish. Dessa variabler påverkar styvhet, slaghållfasthet, temperaturgränser, dimensionsstabilitet, utseende och pris.

Vid ett inköpsprojekt bör man definiera komponenten innan man väljer tillverkningsprocess. Användbara uppgifter är bland annat belastningsriktning, tillåten genomböjning, driftstemperatur, risk för stötar, målvikt, ytkrav, årlig volym, kontrollkriterier och anslutningsytor. Ett dekorativt hölje och ett bärande fäste kan se likadana ut, men kräver olika materialsystem och kvalitetskontroller.

Om du utvärderar en skräddarsydd CFRP-komponent, skicka ritningen, ansökan, den förväntade kvantiteten och prestandakraven till en kolfiberkomposittillverkare. Detta ger ingenjörsteamet tillräckligt med bakgrundsinformation för att kunna diskutera fiberarkitektur och formningsalternativ, istället för att enbart utgå från utseendet.

Vanliga frågor

Uppfanns kolfiber år 1860 eller 1958?

Båda årtalen avser olika milstolpar. Runt 1860 tillverkade Joseph Swan en tidig koltråd för belysning. År 1958 demonstrerade Roger Bacon de första högpresterande grafitfibrerna. Upptäckten från 1958 är den bästa utgångspunkten för Kolfiberens historia inom konstruktionsområdet.

Var det Thomas Edison som uppfann kolfiber?

Edison tillverkade och lanserade lampglödtrådar av karboniserad cellulosa år 1879. Enligt American Chemical Society kan han ha skapat den första kommersiella kolfibern. Han uppfann dock inte den högpresterande förstärkningsmaterial som används i moderna CFRP-konstruktioner.

Var det Roger Bacon som uppfann PAN-baserad kolfiber?

Nej. Bacon upptäckte högpresterande grafitwhiskers i en kolbåge 1958 och bidrog senare till utvecklingen av rayonfiber med hög modul. Akio Shindo demonstrerade en framgångsrik PAN-baserad process i Japan 1961. William Watt och Royal Aircraft Establishment förbättrade PAN-fiberns prestanda 1964.

Vem uppfann kolfiber för Formel 1?

Inget Formel 1-team uppfann själva fibern. McLaren introducerade monokocken MP4/1 i kolkomposit 1981, i samarbete med Hercules Aerospace när det gällde kompositstrukturen. Det var en betydande tillämpning inom motorsporten av befintlig kolfiberteknik.

Vad är skillnaden mellan kolfiber och CFRP?

Kolfiber är det förstärkande filamentet. CFRP är ett kompositmaterial där kolfibrer är inbäddade i en polymermatris, oftast epoxi. Fibertypen och fiberorienteringen avgör till stor del den riktningsspecifika styvheten och hållfastheten, medan matrisen binder samman fibrerna, överför belastningen och bestämmer komponentens form.

Om författaren

Teknisk granskning av Hank, produktchef