Tillverkningen av kolfiber börjar sällan med kol: oftast utgår man från ett garn av akrylpolymer, polyakrylnitril (PAN), som först värms i luft till ungefär 180–300 °C och sedan till över 1 000 °C utan syre. Garnet förlorar nästan allt som inte är kol och blir ett kolfilament. Filamenten samlas sedan i buntar, vävs, impregneras med harts och härdas i en form. Här är varje steg, enkelt förklarat.
Det korsade mönstret på ett skal i vävd kolfiber är det synliga resultatet av hela denna kedja: tusentals filament samlade i buntar, sammanflätade och sedan fixerade i ett genomskinligt harts.
I korthet
- De flesta kolfibrer börjar som ett PAN-garn som stabiliseras i luft och sedan karboniseras under inert gas.
- Karboniseringstemperaturen bestämmer fibertypen: hög hållfasthet vid cirka 1 200–1 400 °C, hög modul upp till 3 000 °C.
- En styv detalj uppstår först med hartset: väv eller prepreg, en form och sedan härdning under vakuum eller i autoklav.
Vad tillverkas kolfiber av?
Rent kol går inte att spinna: det smälter inte vid normalt tryck och löser sig inte. För att få ett kolfilament tillverkar man därför först ett filament av ett annat material, en så kallad prekursor, och avlägsnar sedan med värme allt som inte är kol, utan att garnet förlorar sin form.
Den tekniska litteraturen beskriver tre prekursorer: polyakrylnitril (PAN), viskosfibrer (rayon) och beck, en rest från petroleum eller stenkol. Den här guiden följer PAN, den väg som beskrivs för fibrer med hög hållfasthet och hög modul, och som ger ett gott kolutbyte: enligt Indian Institute of Technologys kurs publicerad på NPTEL ger PAN-prekursorer ett kolutbyte på 50–55 %. Med andra ord försvinner ungefär hälften av utgångsgarnets massa som gas under tillverkningen.
PAN är en polymer som liknar den i akryltextilier. Den spinns till tusentals kontinuerliga filament som sträcks för att rikta de långa molekylerna längs garnets axel. Den orienteringen är viktig: det är den som senare ger kolfibern dess styvhet i längdriktningen.
Hur blir ett akrylgarn kol?
Omvandlingen sker kontinuerligt: buntarna löper genom en rad ugnar med stigande temperatur. Man skiljer på tre steg.
1. Stabilisering (eller oxidation)
PAN-garnet värms först i luft, vid ungefär 180–300 °C. Molekylerna omorganiseras och binder syre: garnet blir svart och framför allt osmältbart. Utan detta steg skulle det smälta eller brinna i de följande ugnarna. Reaktionen avger värme, så temperaturen måste höjas långsamt för att undvika att reaktionen skenar.
2. Karbonisering
Det stabiliserade garnet går sedan in i ugnar fyllda med inert gas, utan syre: det kan alltså inte brinna. Samma NPTEL-kurs beskriver två zoner: upp till 600 °C en mycket varsam uppvärmning (mindre än 5 °C per minut) och sedan från 600 till 1 300 °C, där uppvärmningen kan gå snabbare. Väte, kväve och syre avgår som gas, och de kvarvarande kolatomerna ordnar sig i skikt som liknar grafitens.
3. Grafitisering (för vissa fibrer)
För ännu styvare fibrer höjs temperaturen till omkring 3 000 °C, under drag och fortfarande under inert gas. Över 2 000 °C används inte längre kväve som skyddsgas, eftersom det skulle reagera med kolet: man använder andra inerta gaser.
Sluttemperaturen avgör vilken fibertyp man får:
| Fibertyp | Behandlingstemperatur | Kolhalt |
|---|---|---|
| Hög hållfasthet | 1 200–1 400 °C | 92–96 % |
| Hög modul | 1 800–2 500 °C | cirka 99 % |
| Mycket hög modul | 2 800–3 000 °C | cirka 99 % |
Källa: NPTEL, ”Manufacturing of Carbon Fibres from PAN Precursors”. Ju styvare fiber (”hög modul”), desto mer energi krävs, vilket delvis förklarar kostnadsskillnaden mellan kvaliteterna.
Varför ytbehandlas och preparerar man fibern?
När kolfibern kommer ut ur ugnarna är den mycket slät och kemiskt reaktionströg. Ändå är den bara användbar när den är bunden i ett harts. Två moment förbereder den bindningen.
Ytbehandlingen. Den japanska tillverkaren Toray förklarar i sin guide för val av kolfiber att behandlingen ”tillför syreinnehållande funktionella grupper och etsar fiberns yta lätt”. På så sätt fäster hartset bättre vid filamentet.
Preparationen. Därefter läggs ett mycket tunt skyddsskikt på, preparationen (sizing på engelska), som väljs för att vara kompatibel med det harts som ska användas: epoxi, polyester, vinylester… Preparationen skyddar också filamenten under vävningen. Toray anger att en lätt preparation gör bunten lättare att breda ut, medan en kraftigare preparation skyddar fibern bättre vid krävande hantering.
Till sist lindas fibern upp på spolar. I det här skedet är den fortfarande bara ett svart, böjligt garn: styvheten kommer från hartset.
Vad betyder 3K, 12K och ”kypert”?
Från filament till buntar
En kolfiberbunt (även kallad ”tow”) samlar tusentals parallella filament. Siffran följd av K anger antalet i tusental: en 3K-bunt har 3 000 filament, en 12K-bunt 12 000. Torays guide anger till exempel sin T300-fiber med 1 000, 3 000 och 6 000 filament per bunt och räknar buntar med 1 000 till 6 000 filament som ”små buntar”; standardbuntar som tillverkas i USA har 12 000, 24 000 eller 36 000 filament.
Små buntar ger en fin och jämn väv, den som syns på synliga detaljer. Stora buntar lämpar sig bättre för industriella detaljer, där mönstret sällan syns.
Från buntar till väv
Buntarna vävs sedan i vävstolar, som en textil. Dokumentet ”Prepreg Technology” från Hexcel, en tillverkare av kompositer för flygindustrin, beskriver de viktigaste bindningarna:
- Tuskaft (plain): en över, en under, som ett schackbräde. En stabil väv som dock följer krökta former dåligt.
- Kypert (twill, 2/1, 3/1 eller 2/2): varje bunt går över två eller tre andra, vilket ger de diagonala linjer som är typiska för kolfiber. En medelgod kompromiss mellan stabilitet och förmåga att följa kurvor.
- Satin: mycket få korsningar, en mjuk väv som följer komplexa former väl.
Det finns också enkelriktade lager där alla fibrer går i samma riktning, som används när en detalj främst belastas i en riktning. Det ”klassiska” kolfibermönstret, som skiftar med ljuset, är oftast en kypert. Det är för övrigt ett av de kännetecken som beskrivs i vår guide för att skilja äkta kolfiber från en imitation.
Hur blir väven en styv detalj?
En kolfiberväv ensam är böjlig. För att få en detalj kombineras den med ett harts (oftast epoxi) som efter härdning håller fibrerna på plats och för över krafterna till dem. Denna kombination av fiber och harts kallas en komposit.
Prepreg
Inom industrin levereras väven ofta redan impregnerad med en exakt mängd harts: det är prepreg. Hexcel anger att den förvaras i frys vid −18 °C, normalt i 12 månader, och att en rulle kan behöva upp till 48 timmar för att nå rumstemperatur innan den öppnas. Enligt samma dokument når kolfiberkompositer av prepreg omkring 60 % fibervolym.
Uppläggning, vakuumsäck och härdning
Prepreglagren skärs till och läggs på varandra i en form, ibland med växlande fiberriktning: det kallas uppläggning. Alltihop täcks med tekniska filmer och en säck, och sedan sugs luften ut. Vakuumet pressar ihop lagren med ett tryck på högst 1 bar, och detaljen härdas i ugn. För de mest krävande detaljerna ersätts ugnen av en autoklav, ett tryckkärl som tillför extra tryck: Hexcels diagram visar tryck på 1 till 10 bar.
Epoxihartser för prepreg härdar normalt vid 120 °C eller 180 °C. Hexcel kopplar det första till en användningstemperatur på omkring 100 °C och det andra till 130–155 °C. Efter avsvalning och avformning trimmas detaljen, slipas vid behov och lackas eventuellt.
Fiberniums råd: för ett tillbehör är det inte namnet på processen som räknas för er, utan det synliga resultatet. En äkta kolfiberväv har djup och reflexer som rör sig när ni lutar föremålet; ett tryckt mönster förblir platt. Titta på föremålet i ströljus innan ni bestämmer er.
Tillverkas smidd kolfiber på samma sätt?
Själva fibern är densamma: den kommer ur samma ugnar. Det som skiljer är formningen. I stället för en väv med prydligt riktade buntar använder smidd kolfiber korta fibrer eller fragment i oordning, blandade med harts och pressade i en form. Det marmorerade mönstret uppstår ur denna slumpmässiga placering, så att inga två exemplar är identiska. Skillnaderna i utseende och användning går vi igenom i artikeln smidd kolfiber eller vävd kolfiber.
För kolfiberns historia, från racerbanan till vardagsföremål, läs från banan till fickan.
Den här guiden beskriver industrins allmänna process. På våra produktsidor beskriver vi materialet i varje produkt: FIBRE är en äkta platta av vävd kolfiber, FORGE och BRUTE är av äkta smidd kolfiber, MAILLE kombinerar kolfiber och aramid. Utförandena GIVRE och HYBRIDE i serien ”Style carbone” är av glasfiber, inte kolfiber. Här hittar ni dessa material:
Vanliga frågor
Är kolfiber rent kol?
Nästan. Enligt NPTEL-kursen innehåller fibrer med hög hållfasthet 92–96 % kol och fibrer med hög modul omkring 99 %. En färdig detalj är däremot en komposit: den innehåller även harts.
Varför är kolfiber dyr att tillverka?
Processen består av flera högtemperaturugnar efter varandra, under inert gas, med en långsam stabilisering. Ungefär hälften av PAN-prekursorns massa går förlorad på vägen. Sedan ska fibern fortfarande vävas, impregneras, formas och härdas.
Vad betyder 3K på en kolfiberväv?
Att varje bunt i väven samlar 3 000 filament. En 12K-bunt innehåller 12 000. Siffran säger något om hur fin väven är, inte om fiberns kvalitet.
Vad är en autoklav?
Ett uppvärmt tryckkärl där vakuumpackade kompositdetaljer härdas. Det extra trycket pressar ihop lagren bättre och minskar bubblor, vilket främst är användbart för tjocka detaljer eller detaljer med hög fiberhalt.
Är det här processen för Fiberniums skal?
Den här guiden beskriver den allmänna tillverkningen av kolfiber och kompositer. Produktsidorna anger materialet i varje skal; de beskriver inte den industriella processen, så vi påstår ingenting om den här.