Om kompositter

Definisjon

Komposittmaterialer er de materialene som har følgende egenskaper:

Består av to eller flere materialer (faser) av forskjellig art
Minst to av fasene som er til stede har fysiske egenskaper "tilstrekkelig" forskjellige mellom dem, slik at de komposittegenskaper som er forskjellige fra bestanddelene, overføres.

Fasenes natur er en dominerende funksjon for å gi karakteren "sammensatt" til blandinger av forskjellige materialer. Det er imidlertid ikke den eneste variabelen. For å oppnå et kompositt med høy mekanisk motstand er det viktig, foruten bruk av resistente fibre, å sikre god vedheft mellom matrisen og forsterkningen. Adhesjon fremmes vanligvis ved bruk av en tredje komponent som påføres i et tynt lag på overflaten av fibrene for å gjøre den uorganiske overflaten av fibrene kompatibel med den organiske matriksen. Disse materialene refereres til som FRP (Fiber Reinforced Plastics). .

De mest brukte forsterkninger i polymermatrikskompositter er glass-, karbon- og aramidfibre. Et nøye utvalg av armeringstypene er nødvendig for å kalibrere egenskapene til styrke og utholdenhet for sluttproduktet.

Bakgrunn

Komposittmaterialer ble utviklet fordi homogene konstruksjonsmaterialer, som hadde alle de ønskede egenskapene for gitte anvendelser, var tilgjengelige. Hoveddrivkraften var behov for nye materialer, som ga økt ytelse, innen luft- og romfart. Aluminiumslegeringer, som gir relativt høy styrke og stivhet kombinert med lav vekt, er et hovedmateriale i denne industrien, men både med hensyn til korrosjonsresistens og utmatting har aluminiumslegeringer klare begrensninger. Materialer basert på fiberkompositter viste gode egenskaper med hensyn til korrosjon og sprekkdannelse i slike anvendelser.

Kompositter anvendes nå på en rekke områder der korrosjonsresistens, lang levetid, lav vekt, designfrihet, etc. er viktig. Viktige anvendelsesområder er i båtbygging, marine anvendelser, offshore, bygg og anlegg, transport, flyindustri, forsvar, sport, bilindustri etc. Begrensninger for mer utbredt anvendelse er relativt høy pris på råmaterialene og mangel på raske, effektive og automatiserte produksjonsprosesser.

Fordelene ved komposittmaterialer er mange. En spesifikk styrke langt bedre enn stål og aluminium samt en spesifikk stivhet minst på høyde med disse i tillegg til nærmest ubegrensede muligheter til å skreddersy mekansike egenskaper gjør kompositter meget anvendbare.

Glassfiber

På grunn av sin lave kostnad og høye styrke er glassfiber den mest brukte forsterkningen. Det vanlige navnet på produktene er GRP (Glassforsterket plast). Glassfiber er tilgjengelig som matte eller roving og et stort utvalg av stoffer. Det vanligste stoffet er vevd roving som passer for rask oppbygging av konstruksjoner av stor størrelse og tykkelse, og som ikke krever optimaliserte forestillinger (f.eks. Båtskrog). Andre tekstiler er tilgjengelige for bestemte applikasjoner.

Karbonfibrene

Karbonfibrene brukes til fremstilling av høyytelses kompositter og er preget av høy modul og høy styrke. De største ulempene ved bruk av disse fibrene er høye kostnader og brittleness. Moderne teknologi for produksjon av karbonfibre er basert på pyrolyse (termisk dekomponering i fravær av oksygen) av forskjellige organiske forløpere (PAN-fibre og rayon).

Aramidfibrene

Aramidfibrene ble introdusert i 1971 av Dupont under varenavnet Kevlar. Fibrene er meget sterke og anvendes særlig der stor styrke kombinert med lav vekt er vesentlig. Styrke og kostnad er mellomliggende mellom glass og karbonfibre. Den største ulempen ved bruken av disse fibrene er relatert til den lave trykkstyrken og motstanden mot ultrafiolett stråling. Aramidfibrene er kommersielt tilgjengelige i forskjellige former, hvorav de vanligste er matte og roving samt stoffer for ballistisk bruk.

Polymer matriser

For strukturelle anvendelser er de mest anvendte matrices basert på termohærdende harpikser, så som polyestere, fenoler, epoksyder og polyimider. Slike harpikser er karakterisert ved en lav viskositet ved omgivelsestemperatur som letter impregneringen av fibrene. Når de er kurert, tilbyr de også god kjemikaliebestandighet. De teknologiske begrensningene i bruken av disse materialene skyldes behovet for å utføre en kjemisk reaksjon under fremstillingsprosessen av kompositten, som den kjemiske reaksjonen kan være difficuly tp-kontroll i produksjonsmiljøer. De inneboende begrensningene av termohærdende harpikser (lav seighet, lav driftstemperatur og tendens til å absorbere fuktighetsmiljø) har i de senere år ført til utvikling av termoplastiske matrikskompositter. Termoplastiske harpikser har generelt høyere seighet og glassovergangstemperaturer. Vedlikehold og reparasjon forenkles også ved muligheten for å smelte matrisen etter produksjon. Hovedbegrensningen til bruken av disse matrices er den høye viskositeten, noe som gjør det vanskelig å impregnere fibrene og krever relativt dyrt behandlingsutstyr. De termoplastiske matrikskomposittene med korte fibre har også funnet store anvendelser innen sprøytestøping.

Sandwichmaterialer

Sandwichkonstruksjoner gjør det mulig å utnytte hver materialkomponent optimalt. De mest åpenbare fordelene ved sandwichmaterialer er svært høyt forhold mellom bøyestivhet og vekt. Komposittlaminater har sammenlignbar eller høyere styrke enn metaller som stål og aluminium, men de har lavere stivhetsmodul selv om dette forholdet bedres noe hvis man betrakter stivhet kontra vekt. Den lavere stivheten kan imidlertid lett kompenseres ved å benytte kompositanaterialene i en sandwichkonstruksjon.

Ytterhudene vil virke sammen for å oppta og motvirke ytre bøyepåkjenninger (momenter). Kjernens viktigste oppgave er å overføre skjærbelastninger og å stabilisere ytterhudene mot bukting, vridning og skrukicing. Det er følgelig av største viktighet at heften mellom kjernen og ytterhudene er sterk nok til å motstå skjær- og strekkspenningene som oppstår mellom kjernen og ytterhudene.
Viktige faktorer ved anvendelse av sandwichmaterialer er høy styrke og stivhet, lav vekt, integrert termisk og akustisk isolasjon og høy skaderesistens. Sandwichmaterialer med komposittlaminater er dessuten ikke-magnetiske materialer.

En viktig faktor for å bruke fiberkompositær i ytterhudene er at fremstillingen er vesentlig lettere/enklere enn fremstillingen av sandwich med metall ytterhuder. Dette gjelder spesielt for fremstilling av dobbeltkrumme paneler, hvor sandwich med metallhuder er meget komplisert å fremstille.

Eksempler på anvendelser av komposittbaserte sandwichkonstruksjoner er bl.a. lastebil-/trailerskap, containere for frakt av kjølevarer, transport (bil, tog), fritidsbåter, marinefartøyer, fiskebåter, vindmøllevinger og vindmøllehus, overbygninger og frontpartier i store ferger, undervanns beskyttelsesstrukturer for anvendelse offshore, bekledningsplater for hus og spesialrom, himlingsplater, etc.