Produksjonen av karbonfiber starter sjelden med karbon: som regel tar man utgangspunkt i et garn av akrylpolymer, polyakrylnitril (PAN), som først varmes i luft til rundt 180–300 °C og deretter til over 1000 °C uten oksygen. Garnet mister nesten alt som ikke er karbon, og blir et karbonfilament. Filamentene samles deretter i bunter, veves, impregneres med harpiks og herdes i en form. Her er hvert trinn, enkelt forklart.
Det kryssede mønsteret på et deksel i vevd karbonfiber er det synlige resultatet av hele denne kjeden: tusenvis av filamenter samlet i bunter, flettet sammen og så låst fast i en klar harpiks.
Kort fortalt
- De fleste karbonfibre starter som et PAN-garn som stabiliseres i luft og deretter karboniseres under inertgass.
- Karboniseringstemperaturen bestemmer fibertypen: høy styrke ved rundt 1200–1400 °C, høy modul opptil 3000 °C.
- En stiv del oppstår først med harpiksen: vev eller prepreg, en form og deretter herding under vakuum eller i autoklav.
Hva lages karbonfiber av?
Rent karbon kan ikke spinnes: det smelter ikke ved normalt trykk og løser seg ikke opp. For å få et karbonfilament lager man derfor først et filament av et annet materiale, en såkalt forløper (precursor), og fjerner deretter med varme alt som ikke er karbon, uten at garnet mister formen.
Den tekniske litteraturen beskriver tre forløpere: polyakrylnitril (PAN), viskosefibre (rayon) og bek, en rest fra petroleum eller kull. Denne guiden følger PAN, veien som beskrives for fibre med høy styrke og høy modul, og som gir et godt karbonutbytte: ifølge kurset fra Indian Institute of Technology publisert på NPTEL gir PAN-forløpere et karbonutbytte på 50–55 %. Med andre ord forsvinner omtrent halvparten av massen i utgangsgarnet som gass under produksjonen.
PAN er en polymer som ligner den i akryltekstiler. Den spinnes til tusenvis av sammenhengende filamenter som strekkes for å rette de lange molekylene inn langs garnets akse. Denne orienteringen er viktig: det er den som senere gir karbonfiberen stivhet i lengderetningen.
Hvordan blir et akrylgarn til karbon?
Omdannelsen skjer kontinuerlig: buntene går gjennom en rekke ovner med stigende temperatur. Man skiller mellom tre trinn.
1. Stabilisering (eller oksidasjon)
PAN-garnet varmes først i luft, ved rundt 180–300 °C. Molekylene omorganiseres og binder oksygen: garnet blir svart og framfor alt usmeltelig. Uten dette trinnet ville det smelte eller brenne i de neste ovnene. Reaksjonen avgir varme, så temperaturen må økes langsomt for å unngå at reaksjonen løper løpsk.
2. Karbonisering
Det stabiliserte garnet går deretter inn i ovner fylt med inertgass, uten oksygen: det kan altså ikke brenne. Det samme NPTEL-kurset beskriver to soner: opptil 600 °C en svært skjånsom oppvarming (under 5 °C per minutt), og deretter fra 600 til 1300 °C, der oppvarmingen kan gå raskere. Hydrogen, nitrogen og oksygen slipper ut som gass, og de gjenværende karbonatomene ordner seg i lag som ligner grafittens.
3. Grafittisering (for enkelte fibre)
For å få enda stivere fibre økes temperaturen til rundt 3000 °C, under strekk og fortsatt under inertgass. Over 2000 °C brukes ikke lenger nitrogen som beskyttelsesgass, fordi det ville reagert med karbonet: man bruker andre inerte gasser.
Slutttemperaturen avgjør hvilken fibertype man får:
| Fibertype | Behandlingstemperatur | Karboninnhold |
|---|---|---|
| Høy styrke | 1200–1400 °C | 92–96 % |
| Høy modul | 1800–2500 °C | ca. 99 % |
| Svært høy modul | 2800–3000 °C | ca. 99 % |
Kilde: NPTEL, «Manufacturing of Carbon Fibres from PAN Precursors». Jo stivere fiberen er («høy modul»), desto mer energi krever den, noe som delvis forklarer prisforskjellen mellom kvalitetene.
Hvorfor overflatebehandles og prepareres fiberen?
Når karbonfiberen kommer ut av ovnene, er den svært glatt og kjemisk lite reaktiv. Likevel er den bare nyttig når den er bundet i en harpiks. To operasjoner forbereder denne bindingen.
Overflatebehandlingen. Den japanske produsenten Toray forklarer i sin guide for valg av karbonfiber at behandlingen «tilfører oksygenholdige funksjonelle grupper og etser fiberens overflate lett». Slik fester harpiksen seg bedre til filamentet.
Sizingen. Deretter påføres et svært tynt beskyttende lag, sizingen (sizing på engelsk), som velges slik at den passer til harpiksen som skal brukes: epoksy, polyester, vinylester… Sizingen beskytter også filamentene under vevingen. Toray presiserer at en lett sizing gjør bunten lettere å spre, mens en kraftigere sizing beskytter fiberen bedre ved krævende håndtering.
Til slutt spoles fiberen opp på spoler. På dette stadiet er den fortsatt bare et svart, bøyelig garn: stivheten kommer fra harpiksen.
Hva betyr 3K, 12K og «kyper»?
Fra filamenter til bunter
En karbonfiberbunt (også kalt «tow») samler tusenvis av parallelle filamenter. Tallet etterfulgt av K angir antallet i tusen: en 3K-bunt har 3000 filamenter, en 12K-bunt 12 000. Torays guide oppgir for eksempel sin T300-fiber med 1000, 3000 og 6000 filamenter per bunt, og regner bunter med 1000 til 6000 filamenter som «små bunter»; standardbunter produsert i USA har 12 000, 24 000 eller 36 000 filamenter.
Små bunter gir en fin og jevn vevning, den man ser på synlige deler. Store bunter egner seg bedre til industrielle deler, der mønsteret sjelden er synlig.
Fra bunter til vev
Buntene veves så i vevstoler, som en tekstil. Dokumentet «Prepreg Technology» fra Hexcel, en produsent av kompositter for luftfart, beskriver de viktigste bindingene:
- Lerretsbinding (plain): én over, én under, som et sjakkbrett. En stabil vev, men den følger buede former dårlig.
- Kyper (twill, som 2/1, 3/1 eller 2/2): hver bunt går over to eller tre andre, noe som tegner de diagonale linjene som er typiske for karbon. Et middels kompromiss mellom stabilitet og evne til å følge kurver.
- Sateng: svært få krysninger, en smidig vev som følger komplekse former godt.
Det finnes også ensrettede lag der alle fibrene går i samme retning, som brukes når en del hovedsakelig belastes i én retning. Det «klassiske» karbonmønsteret, som skifter utseende med lyset, er som oftest en kyper. Det er for øvrig et av kjennetegnene som beskrives i guiden vår for å skille ekte karbonfiber fra en imitasjon.
Hvordan blir vevet en stiv del?
Et karbonvev alene er bøyelig. For å lage en del kombineres det med en harpiks (som oftest epoksy) som etter herding holder fibrene på plass og overfører kreftene til dem. Denne kombinasjonen av fiber og harpiks kalles en kompositt.
Prepreg
I industrien leveres vevet ofte ferdig impregnert med en nøyaktig mengde harpiks: det er prepreg. Hexcel oppgir at den lagres i fryser ved −18 °C, vanligvis i 12 måneder, og at en rull kan trenge opptil 48 timer for å nå romtemperatur før den åpnes. Ifølge det samme dokumentet når karbonkompositter av prepreg rundt 60 % fibervolum.
Opplegg, vakuumpose og herding
Prepreglagene skjæres til og legges oppå hverandre i en form, noen ganger med vekslende fiberretning: det kalles opplegg. Det hele dekkes med tekniske filmer og en pose, og deretter suges luften ut. Vakuumet presser lagene sammen med et trykk på høyst 1 bar, og delen herdes i ovn. For de mest krævende delene erstattes ovnen av en autoklav, en trykkbeholder som tilfører ekstra trykk: Hexcels diagram viser trykk fra 1 til 10 bar.
Epoksyharpikser for prepreg herder vanligvis ved 120 °C eller 180 °C. Hexcel knytter den første til en brukstemperatur på rundt 100 °C og den andre til 130–155 °C. Etter avkjøling og avforming trimmes delen, slipes om nødvendig og lakkeres eventuelt.
Fiberniums råd: på et tilbehør er det ikke navnet på prosessen som teller for Dem, men det synlige resultatet. Et ekte karbonvev har dybde og refleksjoner som beveger seg når De vipper gjenstanden; et trykt mønster forblir flatt. Se på gjenstanden i skrått lys før De bestemmer Dem.
Lages smidd karbon på samme måte?
Selve fiberen er den samme: den kommer ut av de samme ovnene. Det som endres, er formingen. I stedet for et vev med pent rettede bunter bruker smidd karbon korte fibre eller fragmenter i tilfeldig orden, blandet med harpiks og presset i en form. Det marmorerte mønsteret oppstår av denne tilfeldige plasseringen, slik at ingen to eksemplarer er like. Forskjellene i utseende og bruk går vi gjennom i artikkelen smidd karbon eller vevd karbonfiber.
Karbonets historie, fra racerbanen til hverdagsgjenstander, kan De lese i fra banen til lommen.
Denne guiden beskriver industriens generelle prosess. På produktsidene våre beskriver vi materialet i hvert produkt: FIBRE er en ekte plate av vevd karbonfiber, FORGE og BRUTE er av ekte smidd karbon, MAILLE kombinerer karbon og aramid. Utførelsene GIVRE og HYBRIDE i serien «Style carbone» er av glassfiber, ikke av karbon. Her finner De disse materialene:
Ofte stilte spørsmål
Er karbonfiber rent karbon?
Nesten. Ifølge NPTEL-kurset inneholder fibre med høy styrke 92–96 % karbon og fibre med høy modul rundt 99 %. En ferdig del er derimot en kompositt: den inneholder også harpiks.
Hvorfor er karbonfiber dyrt å produsere?
Prosessen består av flere høytemperaturovner etter hverandre, under inertgass, med en langsom stabilisering. Omtrent halvparten av massen i PAN-forløperen går tapt underveis. Etterpå må fiberen fortsatt veves, impregneres, formes og herdes.
Hva betyr 3K på et karbonvev?
At hver bunt i vevet samler 3000 filamenter. En 12K-bunt inneholder 12 000. Tallet sier noe om hvor fin vevningen er, ikke om fiberens kvalitet.
Hva er en autoklav?
En oppvarmet trykkbeholder der vakuumpakkede komposittdeler herdes. Det ekstra trykket presser lagene bedre sammen og reduserer bobler, noe som særlig er nyttig for tykke deler eller deler med høyt fiberinnhold.
Er dette prosessen som brukes for Fiberniums deksler?
Denne guiden beskriver den generelle produksjonen av karbonfiber og kompositter. Produktsidene oppgir materialet i hvert deksel; de beskriver ikke den industrielle prosessen, så vi påstår ingenting om den her.