När de flesta av oss tänker på användningsområden för kolfiber går tankarna till fordonssektorn. Kolfiberkomponenter har blivit standard i många olika typer av fordon – i synnerhet avancerade sportbilar och motorcyklar – tack vare materialets kombination av styrka och låg vikt.

Ferrari-återförsäljaren Continental Autosports (CA) säger att kolfiber är fem gånger lättare än stål samtidigt som det har lägre densitet än aluminium som är en av de lättaste metallerna som finns. ”I en tävling mellan två i övrigt identiska bilar kommer en bil med kolfiberdelar troligtvis att prestera bättre än en bil av traditionella material tack vare att dess lägre vikt gör att den kan få ut mer av drivlinan”, enligt CA.

Även om detta ger enorm potential för biltillverkare och -ägare så börjar andra branscher – inklusive byggbranschen – upptäcka vad kolfiber och dess egenskaper har att erbjuda.

Var kommer kolfiber från?

Men vad är egentligen kolfiber för något och var kommer det från?

Enligt materialtillverkaren Zoltek är kolfiber en lång, tunn materialsträng med en diameter på ungefär 0,005 till 0,010 mm som huvudsakligen består av kolatomer. Zoltek lägger till att ”kolatomerna är sammanbundna i mikroskopiska kristaller som ligger mer eller mindre parallellt med fiberns längdaxel. Kristallernas samordnade riktning är det som ger fibern sin otroliga styrka.”

Zoltek säger att nästan all kolfiber (90 %) tillverkas av polyakrylnitril, ett hårt syntetiskt harts, och resten tillverkas av viskos eller petroleumbeck. Fibrerna ”bakas” i en ugn, vilket tack vare den höga kolhalten gör dem oerhört starka. Sedan bearbetas och lindas de till spolar och är färdiga att användas.

Kolfiber har funnits i över 150 år. Det uppfanns år 1860 av den brittiske forskaren och fysikern Sir Joseph Wilson Swan som använde materialet för att skapa en version av en glödlampa. Den amerikanske uppfinnaren och ingenjören Thomas Edison använde senare materialet i sitt belysningssystem. När man istället började använda volfram i glödlamporna behövdes inte längre kolfibern, och dess egenskaper var i stort sett bortglömda under flera årtionden.

Senare, under 1950- till 1970-talen, ledde många nya upptäckter till att kolfiberteknik började användas inom nya områden, i synnerhet av den amerikanska militären, och materialet fick ett stort uppsving när det började användas i flygplansmotorer som utvecklades av Rolls-Royce.

Idag har kolfiber många användningsområden, från fordonssektorn som nämndes ovan till flygplansinteriörer, blad på vindkraftverk, säkerhetskläder och i byggbranschen.

Användning av kolfiber i byggbranschen

Egenskaperna hos kolfiber – det vill säga dess draghållfasthet, styvhet, höga temperaturtolerans, kemiska resistens och slitagebeständighet – har av naturliga skäl intresserat arkitekter, designers och utvecklare.

Enligt Civil Engineering Portal (CEP) kan det användas för att stärka strukturer tillverkade i betong, stål, timmer, murverk och gjutjärn. Man utför även eftermonteringar för att höja bärförmågan för gamla strukturer som broar, och det används även för att stärka skjuvhållfastheten och böjligheten för strukturer av förstärkt betong.

CEP säger också att kolfiber används som ersättning för stål, förspänningsmaterial och förstärkning av gjutjärnsbalkar.

Eftersom materialet inte korroderar kan betonglager med kolfiber vara mycket tunnare då det inte finns någon stålkärna som måste skyddas mot rost, säger Teijin Carbon, som har tillverkat syntet- och kolfibrer sedan 1930-talet.

”Kolbetong gör att man inte behöver lika mycket betong i byggnader, och det medför även andra fördelar som lägre logistikkostnader och kortare bygg- och torktider … dess ledningsförmåga gör det till ett perfekt material för smarta byggnader då det kan leda värme och energi, överföra information om en byggnads parametrar och skydda mot elektromagnetisk störning”, säger företaget.

Utmaningar med att bygga med kolfiber

Vi har tittat på de uppenbara fördelarna med kolfiber, nämligen dess styrka, minimala korrosionspåverkan och avsevärt lägre vikt, men materialet har också sina nackdelar.

Kolfiber är arbetsintensivt och relativt dyrt att tillverka då det går åt mycket energi. Det faktum att ämnet är en bra ledare för värme och energi kan också vara ett problem i byggnader där ledningsförmåga inte alltid är önskvärt.

Och även om kolfiber presterar bra i laboratoriemiljöer kan förhållandena i verkligheten vara extrema, och experter säger att dessa bör beaktas. Enligt Horse Construction bör ”den praktiska brottgränsen för kolfiber anses vara avsevärt lägre än vad som indikeras av laboratoriedata”.

Sedan finns frågan om kolfiberns hållbarhetsaspekter. Enligt Union Cycliste International är kolfibermaterial ”svåra att återvinna och inte biologiskt nedbrytbara. Kolfiber kan inte smältas ner igen och återvinnas, vilket är fallet med aluminium, och fram tills alldeles nyligen har det inte funnits några hållbara lösningar för uttjänt kolfiber.”

Composites Construction UK (CCUK), som tillhandahåller en rad olika byggtjänster, säger också att kolfiber, liksom alla material som kräver mycket energi i tillverkningsprocessen, potentiellt kan ha en negativ inverkan på miljön. De säger dock också att vissa typer av kolfiber är grönare än andra.

”En typ av kolfiber som anses vara ’grön’ är ligninbaserad kolfiber – en naturresurs med 50–71 % kolinnehåll – som kan användas i allmänna tillämpningar med låg värmeledningsförmåga, hög temperaturbeständighet och i projekt som kräver minimalt mekaniskt arbete.”

”Även om kolfiber som produkt inte är biologiskt nedbrytbar kan vissa delar av kolfibern – som harts från kolfiberförstärkt plast – återvinnas relativt enkelt. Detta gör man genom att använda pyrolys, en återvinningsprocess som använder hög värme för att bränna bort hartset där den kolfiberförstärkta plasten har använts.”

CCUK betonar vikten av att känna till att kolfiber kan skadas under vissa återvinningsprocesser och att matrismaterialet av harts ”kanske inte klarar sig”.

Framtiden för kolfiberteknik

Hur ser då framtiden ut för kolfiber, och i synnerhet användningen av kolfiber inom byggande? Prognoser uppskattar att den genomsnittliga årliga tillväxttakten på den globala marknaden från nu till 2028 kommer ligga någonstans mellan 10 och 12,5 %, och huvuddelen av efterfrågan beräknas komma från flyg- och försvarsindustrin.

Inom byggande kan kolfiber ha störst inverkan på betongblandningar. Egenskaperna hos kolfibern kan förbättra betongens draghållfasthet när nätliknande mattor placeras i lager inuti materialet.

Experter föreslår också att kolfiber, utöver att appliceras med metoden ovan, även kan fördelas mycket exakt med hjälp av munstycken.

Byggnader som är helt tillverkade i kolfiber kanske är en avlägsen dröm, men byggbranschen har börjat få upp ögonen för möjligheterna att dra nytta av det starka och lätta materialet.