Kolfiber

Från Wikiskola
Hoppa till navigering Hoppa till sök

Kolfiber är ett armeringsmaterial som består av tunna dragna trådar av kol, vävda eller tvinnade till mattor, vävar eller band. Fiberkompositer armerade med kolfiber är exklusiva material som karakteriseras av mycket hög styvhet, hög hållfasthet och låg vikt. Vid samma massa har kolfiber ungefär fyra gånger så stor hållfasthet som stål.

Materialegenskaper

Kohlenstofffasermatte

Typiska egenskaper för kolfiber inom kvalitetsklassningen standard:

Densitet: 1,77g/cm^3
Hårdhet: över 2,5 moh
Längdutvidgningskoeffiecient: 10^-6 °C-1. längst fibrerna -0,6- -1,6 tvärs fibrerna 7- 10
Värmeledningsförmåga: Okänd
Resistans: Okänd
Sträckgräns: 1,2-1,7%
Draghållfasthet: 3200-4000 MPa
E-modul, drag: <265 GPa

Användning

Kolfiber används tillsammans med epoxi, polyester eller vinylester för att tillverka lätta och starka konstruktioner till bilar, båtar, cyklar, fiskespön, flygplan, golfklubbor, helikoptrar, hjälmar, skidor, surfbräden, tennisracketar, vapen och mycket annat. Jämfört med glasfiber är kolfiber lättare, styvare men har sämre slagtålighet och används därför ofta tillsammans med aramidfibrer. Kolfiber har blivit mycket populärt i laminat på grund av den höga styvhet som kan uppnås. Det har också blivit vanligare att armera med kolfiber på utsidan av befintliga konstruktioner för att slippa nybyggnad. Inom betongbyggnad kan kolfiber användas främst till 3 saker; reparationer på defekta betongkonstruktioner, förbättring av konstruktionens kapacitet och anpassning till nya krav, som bland annat ändringar i den statiska konstruktionen eller ökade laster. Fördelen gentemot metall är att den inte rostar, en nackdel är att sprickbildning emellan olika lager kan uppstå.

Framställning

Processen för att tillverka kolfiber är både kemisk och mekanisk. Akrylnitrilplast-pulver blandas med en annan plast såsom metylakrylat eller metylmetakrylat, och reagerar med en katalysator för att bilda en polyakrylnitrilplast. Plasten spinns sedan till fibrer med hjälp av en av flera olika metoder. Plasten kan t.ex. blandas med kemikalier och sprutas genom små strilar ner i ett kemiskt bad eller i en kammare där plasten koagulerar och stelnar till fibrer. Fibrerna tvättas sedan och sträcks ut till önskad fiberdiameter. Innan fibrerna kan upphettas slutligt värms de till 200-300 grader Celsius tillsammans med syre för att atomstrukturen i fibrerna ska omstruktureras och bilda ett stabilt mönster.

Fibrerna upphettas slutligen utan kontakt med syre till 1000-3000 grader Celsius. Utan syre kan fibrerna inte brinna utan istället vibrerar de, så våldsamt att de flesta icke kolatomer stöts ut. Efter processen som kallas förkolning består fibrerna av tätt sammankopplade kedjor av kolatomer med endast några få återstående kolväten. Sidorna på fibrerna har då väldigt dålig förmåga att binda med epoxi och andra plaster och går därför inte att göra några kolfiberkompositer av. För att lösa problemet oxiderar man fibrerna kemiskt så att ytan på dem blir mer ojämn. Då kan epoxin, polyestern mm. lättare binda till fibrerna och skapa en hållbar kolfiberkomposit. De slutliga kolfibrerna vävs till mattor som sen säljs och görs kolfiberkompositer av.

Historia

En form av kolfiber användes redan i slutet av 1800-talet som glödtråd i Thomas Edisons glödlampa. Då var fibrerna cellulosa-baserade vilket inte var lika intressant som dagens oljebaserade kolfiber då de inte hade lika hög hållfasthet. Det första högpresterande kolfibermaterialet kom i slutet av 1950-talet. Det tillverkades genom upphettning och förkolning av viskos och precis som tidigare material var det cellulosabaserat, så det hade fortfarande inte lika hög hållfasthet som dagens kolfiber. 1961 uppfann en Japansk forskare, Akio Shindo, en metod för att tillverka kolfibermaterial med högre hållfasthet genom förkolning av polyakrylnitril. Det var den första oljebaserade kolfibern, vi använder samma råvara än idag för tillverkning av kolfiber. I mitten av 90-talet uppfann en forskare på Chalmers i Göteborg ett nytt sätt att tillverka kolfiber. Han ändrade sättet man väver kolfibern, istället för trådar vävde han band av kolfiber. Det resulterade i en ännu starkare konstruktion än den tidigare varianten.

Pris

Kolfiber finns i kvalitetsklassningarna: Standard, HS, IM, HM och UHM. Priset på kolfiberprodukter varierar stort och går inte säga exakt, men oftast ligger priset mellan alldeles för mycket och svindyrt. Kolfiberväv, vilket står för en bråkdel av kostnaden av en färdig produkt i kolfiberkomposit, finns i Sverige för ungefär 1000 kronor för 2 kvadratmeter, vilket väger cirka 400 gram. Om man skulle göra ett ungefärligt kilopris för kolfiberväv skulle det då ligga på 2500 kronor, men det blir såklart billigare desto mer man köper.

Om man tänker på priset på en färdig produkt av kolfiberkomposit ligger det som sagt på mycket mer. Dessutom, inom till exempel cykelmarknaden kostar det mer desto lättare produkten är, eftersom det krävs en bättre kolfiberkvalitet med bättre hållfasthet om man ska göra en produkt lättare. Som exempel kostar det enklaste cykelstyret i kolfiber i Sverige strax över 1000 kronor, medan ett lättare styre i kolfiber kostar över det dubbla.

Priset på kolfiberprodukter i Kina är dock mycket lägre, ofta kostar ett cykelstyre i Kina bara en tiondel av priset i Sverige.

Länkar

https://www.composite-design-sweden.com/
https://sv.wikipedia.org/wiki/Kolfiber
http://www.carbontrikes.com/komposit/fibrer.htm#_Toc46487827
http://sverigesradio.se/sida/artikel.aspx?programid=406&artikel=6000137