Korte kulfibre kan få mere sammenhængskraft og lede strøm langt bedre, hvis deres kontaktpunkter bindes sammen med laserfremstillet grafen. Det viser et nyt studie, hvor forskere har behandlet kulfiberfilt i en rullebaseret proces og afprøvet materialet til elektrisk afisning og beskyttelse mod simulerede lynnedslag.

Arbejdet blev offentliggjort 25. oktober i Nature Communications. Forskerholdet, ledet af blandt andre Wenjie Yu, Weiwei Zhao og Xiaoqing Liu ved Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering i Kina, beskriver en mulig vej til at give kulfibre af lavere kvalitet mere krævende anvendelser.

Problemet ligger mellem fibrene

Lange, sammenhængende kulfibre kan bruges i lette og stærke kompositmaterialer. Når fibrene bliver korte, er det vanskeligere at udnytte de samme egenskaber. De kan lægges som en filt, men kontaktpunkterne mellem de enkelte fibre bliver afgørende for både styrke og strømtransport.

Forskerne behandler filten med et flydende udgangsstof, som laseren omdanner til grafenholdige forbindelser ved fiberkontakterne. Disse forbindelser fungerer både som mekaniske broer og som elektriske forbindelser. Metoden skal altså forbedre samspillet mellem fibrene frem for at gøre de korte fibre lange igen.

Det er også en vigtig afgrænsning af genanvendelsesvinklen. Studiet handler om at forædle kulfibermateriale af lavere kvalitet. Det viser ikke i sig selv en komplet proces, hvor et udtjent flyskrog bliver indsamlet, renset og omdannet til et nyt flyskrog.

Styrken steg næsten otte gange

I forskernes målinger steg trækstyrken fra 4,1 til 32,2 megapascal. Den elektriske ledningsevne steg samtidig fra 1.224 til 15.151,5 siemens pr. meter. Det svarer til knap otte gange højere trækstyrke og godt tolv gange højere ledningsevne end udgangsmaterialet i forsøget.

Tallene beskriver den behandlede filt sammenlignet med den oprindelige filt. De betyder ikke, at materialet er otte gange stærkere end alle andre kulfiberprodukter, eller at det uden videre kan erstatte bærende kompositdele. En filmbaseret overfladefunktion og et strukturelt flyelement har forskellige krav.

Laserbehandlingen kræver også balance. For kraftig lokal opvarmning kan skade fibrene, mens utilstrækkelig behandling giver ringere forbindelser. Holdet undersøger derfor blandt andet laserens strålestørrelse og placering i forhold til overfladen for at styre omdannelsen.

Strøm kan bruges til at løsne is

Når strøm løber gennem et materiale med elektrisk modstand, udvikles varme. Forskerne bruger denne effekt til at demonstrere afisning med den behandlede kulfiberfilm. Et sammenhængende ledende netværk er her vigtigt for at fordele opvarmningen.

Forsøget peger på en mulig overfladefunktion til eksempelvis luftfart, hvor is kan være et problem. Men laboratoriets afisningstest er ikke dokumentation for, at materialet allerede er godkendt til et fly, eller at det fungerer under alle temperaturer, vindforhold og former for isdannelse.

Det praktiske spørgsmål bliver, om et færdigt system kan levere den nødvendige varme jævnt og pålideligt med acceptabelt energiforbrug. Elektriske forbindelser, overfladens holdbarhed og samspillet med underlaget skal også fungere over tid.

Kobberlaget var vigtigt i lynforsøget

Til beskyttelse mod simulerede lynnedslag tilføjede forskerne kobber til den behandlede film og lagde beskyttelsen på en kulfiberforstærket polymer. Resultatet skal derfor tilskrives denne kombination, ikke den ubelagte kulfiberfilt alene.

Studiet rapporterer et beskadiget areal på 9.657 kvadratmillimeter og en skadedybde på 0,4 millimeter. Forskerne beskriver beskyttelsen som sammenlignelig med en aluminiumsnetreference, mens beskyttelsesmaterialet vejede 15 procent mindre. Det er vægten af den sammenlignede beskyttelse, ikke en vægtreduktion på 15 procent for et helt fly.

Ruller skal gøre processen mere anvendelig

Holdet har bygget en laserplatform, hvor materialet kan føres fra rulle til rulle. Det gør fremgangsmåden mere relevant for løbende produktion end behandling af enkelte små prøver og giver mulighed for at tilpasse egenskaberne gennem procesindstillingerne.

Der er stadig afstand mellem en demonstreret produktionsplatform og rutinemæssig brug i luftfarten. Studiets konkrete bidrag er kombinationen af stærkere fiberkontakter, bedre strømledning og funktionstests. Om løsningen bliver konkurrencedygtig i praksis, afhænger også af ensartet kvalitet, levetid og kravene til den endelige komponent.

Kilder og videre læsning

Har du fundet en fejl? Læs om rettelser.