Composieten Denken vanuit materiaaleigenschappen In moderne constructies heeft het gebruik van composieten een grote vlucht genomen. Composieten combineren eigenschappen van de verschillende materialen waaruit ze zijn samengesteld. Daardoor heeft de composiet bijzondere eigenschappen die in een enkelvoudig materiaal lastig te realiseren zijn. Een voorbeeld van een composiet is laminaat. Laminaat bestaat uit een transparante toplaag van melamine vermengd met aluminiumoxide op dicht geperst vezelbord, met een beeldlaag ertussen om de suggestie van hout te wekken. De toplaag is hard en slijtvast, terwijl de onderlaag stevigheid geeft. Andere eigenschappen van laminaat zijn o.a. vochtwerendheid en geringe massa. Niet alleen de samenstelling van de composiet bepaald de eigenschappen. Een deel van de eigenschappen kan worden verklaard door de specifieke ordening van de diverse componenten.. Denken vanuit het principe 'eigenschap - ordening - samenstelling' biedt een kader om verklaringen op te stellen voor de eigenschappen van composieten, en kan daarnaast behulpzaam zijn bij het gericht ontwerpen van composieten met gewenste eigenschappen. Je gaat aan de hand van bovenstaand principe zelf voor een aantal toepassingen composieten ontwerpen. Maar voordat je daarmee start eerst nog wat meer duidelijkheid over wanneer iets wel en wanneer iets geen composiet is. Wat is eigenlijk een composiet? Is er een definitie? Er zijn de nodige definities van composieten in omloop: combinatie van een sterker en zwakker materiaal een materiaal uit verschillende delen samengesteld combinatie van twee materialen Bovenstaande definities leveren wat problemen op. De eerste twee geven geen antwoord op de vraag: waarom zou je een dergelijke combinatie maken?. De motivatie ontbreekt. De derde formulering zou betekenen dat ook een legering, tweecomponentenlijm, of een zoutoplossing een composiet is. De eerste en derde definitie is daarnaast beperkend, want er mag geen derde, vierde, etc. materiaal bij. In het vervolg gaan we uit van de volgende definitie: Een materiaal opgebouwd uit 2 of meer apart te onderscheiden stoffen, waarbij op grond van gewenste eigenschappen doelbewuste keuzes t.a.v. samenstelling en of ordening zijn gemaakt. Figuur 1: Materialendriehoek materiaal en de productiemethode. Een hele mond vol, maar de bovenstaande bezwaren worden wel weggenomen. De beperking apart te onderscheiden materialen helpt om de legering, tweecomponentenlijm en zoutoplossing uit te sluiten. Bij het vervaardigen van een composietproduct worden de materialen (samenstelling) en de constructie (ordening) vaak tegelijkertijd in beschouwing genomen. Voor composieten wordt in dit verband vaak (een variant op) de materialendriehoek gebruikt (Figuur 1). Hierin wordt verbeeld dat de mogelijkheden om tot een bepaalde constructie te komen sterk samenhangen met het Op de volgende pagina s staat: - een groslijst eigenschappen met een beknopte omschrijving; - zeven opdrachten voor het maken van een composiet met bepaalde eigenschappen. 1
Groslijst eigenschappen (niet volledig) Mechanische eigenschappen. Uitgangspunten: elastisch (geen plastificatie), lineair (geen on lineariteit), homogeen (geen variatie in het gedrag van het materiaal), isotroop (geen variatie op het gedrag volgens de richting). Sterkte (trek, druk, buig) De treksterkte van een materiaal is een maatstaf om de mechanische eigenschappen van een materiaal te classificeren. De treksterkte is de maximale mechanische spanning die een materiaal bereikt als het plastisch vervormd wordt. Praktisch is de vloeigrens (soms ook de 0,2%-rekgrens) van (meer) belang. Als het materiaal tot de treksterkte komt, is het reeds sterk plastisch vervormd. De druksterkte van een materiaal is een maatstaf om de mechanische eigenschappen van een materiaal te classificeren. De druksterkte is de maximale mechanische spanning die een materiaal kan verdragen voor het plastisch vervormd wordt. Als het materiaal deze spanning opgelegd krijgt, dan zal er breuk optreden. De buiging of flexuur van een materiaal of voorwerp is de mate waarin het vervormt in de richting loodrecht op zijn lange as. Deze vervorming is het gevolg van een kracht op het voorwerp, die loodrecht op de lange as werkt. Buiging is een samengestelde belasting omdat er in het materiaal tegelijkertijd zowel trek als druk optreedt. Stijfheid (elasticiteit) De stijfheid of rigiditeit geeft aan in welke mate een materiaal of een constructie zich tegen elastische vervorming verzet. Door gebruik te maken van dubbel gekromde materialen kan een hoge buigstijfheid in het product worden gerealiseerd. Hardheid De hardheid van een materiaal is de weerstand die het materiaal biedt tegen permanente mechanische vervorming. Diamant is het hardste algemeen bekende mineraal. Impactweerstand Er zijn composieten die veel energie kunnen opnemen en daarmee zeer slagvast en impactbestendig zijn. Dichtheid Bij zogenaamde mechanische eigenschappen, zoals treksterkte, buigsterkte, hardheid, brosheid en vermoeiing, worden de eigenschappen gedeeld door de dichtheid. Deze specifieke eigenschappen waarden zijn van belang wanneer gewicht een belangrijke factor is. 2
Andere eigenschappen. Brandveiligheid Door toevoegingen aan composiet kan de brandveiligheid worden verhoogd. Composieten met een hoge brandveiligheid worden toegepast in o.a. treinen, vliegtuiginterieurs en gevels. Krimp/precisie De thermische uitzettingscoëfficiënt van composiet is afhankelijk van de kwaliteit van de vezel, het soort weefsel en de hechting tussen vezel en matrix. UV bestendigheid Door diverse UV werende additieven toe te voegen kunnen composieten in buitentoepassingen worden gebruikt. Er moeten wel afdoende maatregelen worden getroffen i.v.m. verkleuring. Kleur Composietproducten moeten vaak in alle RAL-kleuren kunnen worden afgewerkt, soms beide producthelften in een andere kleur. Ook kunnen producten door en door worden gekleurd, waarbij diepe krassen minder duidelijk zichtbaar zijn in vergelijking met gelakte producten van bijvoorbeeld staal of hout. Translucentie (doorzichtigheid) Composiet kan deels doorzichtig blijven, mits een heldere kwaliteit hars, de juiste vezels en/of een luchtvrije productietechniek worden toegepast. Indien met heldere hars wordt gewerkt, dan is de vezelstructuur zichtbaar en zorgt voor de gewenste uitstraling: speels, chique, robuust of transparant. Isolatie (thermisch, akoestisch) Als composieten als een sandwich zijn opgebouwd, dan kunnen composieten zeer hoge isolerende waarden bereiken. Elektromagnetisch Vooral natuurvezelversterkte composieten verstoren de elektromagnetische straling bijna niet. Dit maakt het bij uitstek geschikt voor onder andere radarbehuizing. Vochtbestendig Natuurvezelcomposieten zijn o.h.a. zeer goed bestand tegen vocht, nodig voor o.a. zeilboten. Textuur Er zijn ontelbare oppervlakte dessins mogelijk. De textuur wordt door middel van matten, hoogwaardig freeswerk of stralen tijdens de productie aangebracht. Indien met heldere harsen wordt gewerkt, bepalen de vezels en de structuur of de opdruk de uitstraling. Vormvrijheid Vormvrijheid is van belang als het composietproduct in complexe vormen geconstrueerd moet worden. Het is soms mogelijk om aparte vormen te produceren, waarna de delen naadloos aan elkaar worden gezet en afgewerkt. 3
Opdracht A: Drijven Waterdicht, druk- en trekresistent, lage dichtheid, vormvast, beschilderbaar, duurzaam, corrosiebestendig 4
Opdracht B: Dranken bewaren 1 Vloeistofdicht, goedkoop, bedrukbaar, vouwbaar, lijmbaar, voedselveilig, recyclebaar 5
Opdracht C: Transport van elektriciteit Elektrisch geleidend, elektrisch isolerend, flexibel, hanteerbaar, goedkoop, veilig, waterdicht. 6
Opdracht D: Dranken bewaren 2 Hitte bestendig, warmte geïsoleerd, inert, hanteerbaar, duurzaam, voedselveilig, vormvast, bedrukbaar 7
Opdracht E: Veilig in huis Brandwerend (60 ), Esthetisch verantwoord, beschilderbaar, lage dichtheid, vormvast, goedkoop 8
Opdracht F: Vliegen sterker dan staal, dichtheid lager dan Alu, metaalmoeheid resistent, overschilderbaar, vormbaar, vormvast, thermisch isolerend 9
Opdracht G: Veilig Doorzichtig, breekvast, vormvast, in verschillende vormen te maken, waterdicht, krimpvast 10