Karbonfiber-kompositt brukes i romfarts- og flyindustrien – og i avanserte løpsbiler. Kan det bli familiebiler av stoffet? En karbonfiberbil ville veie halvparten av din stålbil – men blir de sikre nok? Og blir de ikke enormt dyre? Jo visst!
Bildet øverst: Allerede i 1996 kom McLaren med sin F1 med karosseri av KFK. Vi glante – men prisen snakket ingen om… (Foto: McLaren)
Av Stein Bekkevold
Karbonfiber-kompositt (KFK/CFC) er plast forsterket (armert) med fiber av karbonisert poly-akryl-nitril, karbonfiber*. Plasten fibrene ligger i er en matriks og holder alt samlet, fibrene gjør hovedjobben. Det er – for fly, romfart og Formel 1– laget metoder for baking av KFK. Mye av utstyret er former der tilskåret fibermatte legges inn, og varmes/presses og herdes når plastmatriks sprøytes inn.
Som alle andre avanserte materialer kommer også KFK fra flyindustrien, bl.a. har Airbus A350 mye av det i skrog og vinger, noe de en gang viste med et påmalt mønster. (Foto: Airbus)
På vei inn i bil
Mange av prosessene er nå så raske at en del lages nesten like raskt som paneler av stål. En ferdig detalj av KFK er MYE sterkere enn en lik del av karosseristål og veier langt under halvparten.
Med unik formbarhet, vekt, styrke, stivhet og slitestyrke er KFK kompositt nå blant verdens mest allsidige plastmaterialer, og brukes alt oftere, i industrielle og mer hverdagslige ting. Og de kan være på vei inn i bilene, for kolossalt sterke og lette er de jo, og med et KFK-karosseri utenpå et bur (3D ramme) av aluminium kan de bygges like sikre. Men prisen? Den er hårreisende.
Stivt
Karbonfiber er et stivt materiale; det er stivt som stål – e-modul 210 GPa – men har mye høyere strekkfasthet. Styrke/vekt-forholdet er fem ganger stålets, og fiber av særlig høy kvalitet – og pris – slår stål med faktor ti.
De har også høy utmattingsfasthet, så mens beste tekniske egenskap er stivhet, kan delen også lages fleksibel med en myk termoplast. Fleksibel KFK brukes der dingsen må tåle endrede påkjenninger (laster).
Og: Selv om fibrene har utrolige egenskaper, må de sitte i en god plast-matriks for å få full stivhet og styrke. Poenget ved en kompositt er at delene samlet gir MYE bedre egenskaper enn de har hver for seg…
BMW-konseptet Gina var slik formet at bilen også kunne bygges i KFK. (Foto: BMW)
1860
Karbonfibre er eldre enn du trodde: De første kom på 1860-tallet som filamenter (tynne tråder) til glødelamper på grunn av høy varmebestandighet – de var laget av kull/karbon.
Men karbonfiber av høy kvalitet kom ikke før 100 år senere, i 1958. Og det gikk fem år før prosessen var blitt industriell. I dag – når fibermatten gjennomfuktes med en plast (som epoksy) og herdes, får vi en karbonfiber-forsterket polymer (ukorrekt kalt bare karbonfiber) med ekstremt styrke/vekt-forhold, som er svært stiv, men som kan være sprø.
Karbonfibre kan kombineres med grafitt for å skape forsterkede karbon-karbon-kompositter, med svært høy varmetoleranse – som bremseskiver for fly og rallybiler/Formel 1.
Historie
I 1860 produserte J. Swan de første karbonfibrene, som glødetråd i lyspærer. Nesten 20 år senere – i 1879 – bakte Edison bomulls- og bambustråd ved høy varme, og karboniserte dem til karbonfiber for sine glødelamper; Edison var en flink kopist – herr Swan fikk ikke fem øre.
I 1880 utviklet L. Latimer en mer pålitelig karbontråd for lamper. I 1958 skapte forskeren R. Bacon mer avanserte karbonfibre av rayon ved Union Carbide i Cleveland, Ohio. Han bakte tråder ved 500 grader i argonatmosfære så de ble karbonisert. Prosessen var ikke effektiv, fibrene inneholdt bare 20 prosent karbon og hadde lav styrke og stivhet.
Tidlig på 1960-tallet kom en ny prosess ved dr. Shindo i Japan – med polyakryl-nitril (PAN) som råstoff. Dette ga karbonfiber med 55 prosent karbon.
I 1960 utviklet R. Millington hos H. I. Thompson Fiberglass Co. enda en prosess som ga fiber med 99% karbon – basert på rayoncellulose. Fibrene fikk da nok styrke (e-modul og strekkfasthet) til bruk i spesielle, (militære) kompositter med ekstra høy styrke, særlig til høytemperatur-detaljer.
Falcon F7 er en serie håndbygde USA-superbiler med midtstilt, blodtrimmet V8 på 1000 hk, alt på innsiden er fly-aluminium og alt utenpå er KFK med ørten lag lakk. Dyrt! (Foto: Falcon)
…og andre priser
Så kom flyindustrien inn i bildet, og Royal Aircraft Establishment på Farnborough ved London var først ute.
Og nå er det bilindustriens tur, om behovet for lav vekt/lave utslipp og økt nytteeffekt – også i elbiler – tas på alvor. Men det blir dyrt, så her må vekt/utslippspremiering inn i bildet.
Og: Det kan tenkes at mer avanserte elbiler vil få deler av, eller hele, karosseriet i KFK. Med nye faststoffbatterier vil vi da få helt andre rekkevidder. Og priser…
*Karbonfibre (grafittfiber) har diameter 5 – 10 mikrometer, og er langkjedede karbonatomer, kullstoff. De har høy stivhet og strekkfasthet, høyt styrke-til-vekt forhold, høy kjemisk motstand, høy temperaturtoleranse og lav termisk utvidelse.
Men de er dyre i forhold til glass-, basalt- og plastfibre. Når karbonfiber lages tvinges atomene sammen i lange krystallkjeder langsetter, og tråden blir stiv og sterk. Hundrevis buntes sammen og brukes samlet eller veves til stoff.
