Den moderne brug af kompositmaterialer i fremstillingsindustrien er ikke ny, men strækker sig over flere årtier og går helt tilbage til begyndelsen af 1960’erne. Og før det har kombinationen af fibre med en flydende matrix været anvendt i en række forskellige anvendelser, lige fra det velafprøvede tørrede mudder og halm (adobe-sten) til en konceptbil udviklet af Ford Motor Co. (Detroit, Mich., USA) i 1941, hvor karrosseripaneler var fremstillet af naturfiberforstærkede kompositmaterialer.
På trods af dette er kompositmaterialer, sammenlignet med gamle materialer som stål, aluminium, jern og titanium, stadig ved at blive modne, og det er først nu, at design- og produktionsingeniører får en bedre forståelse for dem. Kompositter er desuden hæmmet af deres ikke-isotrope natur, hvilket gør dem vanskelige at modellere og simulere. Kompositmaterialernes fysiske egenskaber – kombineret med den uovertrufne lette vægt – gør dem imidlertid unægteligt attraktive.
For nybegyndere inden for kompositmaterialer er der heldigvis håb, og det ligger i det faktum, at disse materialer let kan forstås og anvendes. Det følgende er en grundbog om de fibre og harpikser, der typisk anvendes ved fremstilling af kompositter.
Vindende egenskaber
Høj styrke og lav vægt er fortsat den vindende kombination, der driver kompositmaterialer ind på nye arenaer, men andre egenskaber er lige så vigtige. Kompositmaterialer har god vibrationsdæmpning og lav termisk udvidelseskoefficient (CTE), egenskaber, som kan konstrueres til specialiserede anvendelser. Kompositmaterialer er modstandsdygtige over for træthed og giver en fleksibilitet i design/fremstilling, der kan reducere antallet af dele, der er nødvendige for specifikke anvendelser, betydeligt – hvilket giver et færdigt produkt, der kræver mindre råmateriale, færre samlinger og fastgørelseselementer og kortere monteringstid. Kompositter har også vist sig at være modstandsdygtige over for ekstreme temperaturer, korrosion og slid, især i industrielle omgivelser, hvor disse egenskaber i høj grad bidrager til at reducere produktets livscyklusomkostninger. Disse egenskaber har gjort det muligt at anvende kompositmaterialer i stor stil. Presset for brændstoføkonomi og effektivitet har f.eks. gjort letvægt til en prioritet i næsten alle former for mekanisk transport, fra cykler til store kommercielle fly.
Siden The Boeing Co.’s (Chicago, Ill., USA) 787 Dreamliner – 50 vægtprocent kompositmaterialer og 100 % kompositmaterialer på de aerodynamiske overflader – blev sat i produktion og foretog i december 2009 med succes sin første flyvning, har kompositmaterialer gjort sig fortjent til at blive anvendt i primære og sekundære flystrukturer og har fundet en større plads i flyenes indre i flyverdenen. Siden da har 787-flyet fået følgeskab af andre kompositintensive fly fra konkurrenten Airbus (Toulouse, Frankrig) og andre konkurrenter inden for kommercielle transportfly i verden. Den første Airbus A350 XWB med 52 % komposit blev leveret ved indgangen til 2015. Og Airbus har tidligere også indarbejdet kompositmaterialer i sit A380 superjumbo-passagerfly og sit A400M-militærtransportfly. De fire programmer er en nærværende opfyldelse af en længe ventet transformation, der også har overhalet markedet for almene flyvemaskiner og længe har været en del af fremstillingen af militære fly. De er tilgængelige i stadig mere forskelligartede materialeformer og kan fremstilles ved hjælp af et omfattende udvalg af støbe- og formningsprocesser – har indtaget eller er klar til at indtage opmærksomheden i fremstillingsarenaer over hele verden.
Et helt anderledes materiale
Kompositter adskiller sig fra traditionelle materialer ved, at kompositdele består af to klart forskellige komponenter – fibre og et matrixmateriale (oftest en polymerharpiks) – som, når de kombineres, forbliver diskrete, men fungerer interaktivt for at skabe et nyt materiale, hvis egenskaber ikke kan forudsiges ved blot at summere egenskaberne af dets komponenter. Faktisk er en af de store fordele ved kombinationen af fibre og harpiks, at den er komplementær. Tynde glasfibre har f.eks. en relativt høj trækstyrke, men er modtagelige over for skader. I modsætning hertil er de fleste polymerharpikser svage i trækstyrke, men er ekstremt hårde og formbare. Når de kombineres, modvirker fiberen og harpiksen imidlertid hver især den andens svaghed, hvilket giver et materiale, der er langt mere nyttigt end hver af dets individuelle komponenter.
Kompositmaterialernes strukturelle egenskaber stammer primært fra fiberforstærkningen. Kommercielle kompositmaterialer til store markeder som f.eks. automobilkomponenter, både, forbrugsvarer og korrosionsbestandige industridele er ofte fremstillet af diskontinuerlige, tilfældigt orienterede glasfibre eller kontinuerlige, men ikke-orienterede fiberformer. Avancerede kompositter, der oprindeligt blev udviklet til det militære luftfartsmarked, har en ydeevne, der er bedre end konventionelle strukturelle metaller, og anvendes nu i kommunikationssatellitter, fly, sportsartikler, transport, sværindustri og i energisektoren inden for olie- og gasudvinding og vindmøllebygning.
Højtydende kompositter får deres strukturelle egenskaber fra en kontinuerlig, orienteret, højstyrkefiberforstærkning – oftest kulstof, aramid eller glas – i en matrix, der fremmer forarbejdningsmulighederne og forbedrer de mekaniske egenskaber, f.eks. stivhed og kemisk modstandsdygtighed.
Fiberorienteringen kan styres, hvilket er en faktor, der kan forbedre ydeevnen i enhver anvendelse. I sammensatte golfkølleskafter kan bor- og kulfibre, der er orienteret i forskellige vinkler i det sammensatte skaft, f.eks. gøre det muligt at udnytte deres styrke- og stivhedsegenskaber bedst muligt og modstå momentbelastninger og flere bøjnings-, tryk- og trækkræfter.
En matrix kan være polymer, keramisk eller metallisk. De polymermatrixer, der er mest udbredt til kompositter i kommercielle og højtydende luft- og rumfartsapplikationer, er termohærdede harpikser, der består af polymerkæder, der hærdes permanent til et tværbundet netværk, når de blandes med en katalysator, udsættes for varme eller begge dele. Hærdningen sker normalt under forhøjede temperatur- og/eller trykforhold i en ovn og/eller en vakuumpose eller i en autoklave. Alternative, men mindre anvendte hærdningsteknologier omfatter elektronstråle-, ultraviolet (UV) stråling, røntgen- og mikrobølgeprocesser.
Den anden mest almindeligt anvendte matrixtype er termoplastisk (TP) harpiks, som viser sig at være en stadig mere populær mulighed for kompositproducenter. Termoplastiske lineære polymerkæder dannes og kan omdannes til formede faste stoffer ved at smelte eller blødgøre og derefter afkøle materialet. Termoplastmaterialer sælges ofte i plade- eller panelform og kan forarbejdes ved hjælp af in-situ-konsolideringsteknikker som f.eks. simpel presseformning til fremstilling af hårde, næsten netformede dele uden den autoklave- eller vakuumpakkehærdning, som er nødvendig for termohærdede materialer. TP-reformbarhed giver mulighed for at korrigere anomalier eller reparere skader under drift.
Glasfibre
Det store flertal af alle fibre, der anvendes i kompositindustrien, er glasfibre. Glasfibre er den ældste og mest almindelige forstærkning, der anvendes i de fleste slutmarkedsanvendelser (luftfartsindustrien er en væsentlig undtagelse) til at erstatte tungere metaldele. Glasfiber vejer mere end den næstmest almindelige forstærkning, kulfiber, og er ikke så stiv, men den er mere slagfast og har en større brudforlængelse (dvs. den strækker sig i højere grad, før den går i stykker). Afhængigt af glastype, filamentdiameter, belægningskemi (kaldet “sizing”) og fiberform kan der opnås en lang række egenskaber og præstationsniveauer.
Glasfilamenter leveres i bundter, kaldet strenge. En streng er en samling af sammenhængende glasfilamenter. Roving betegner generelt et bundt af ikke snoede tråde, der som tråd er pakket på en stor spole. Single-end roving består af strenge, der består af sammenhængende, flere glasfilamenter, der løber i hele strengen. Multiple-end roving indeholder lange, men ikke helt sammenhængende tråde, som tilføjes eller tabes i en forskudt rækkefølge under spoleprocessen. Garn er en samling af tråde, der er snoet sammen.
Højtydende fibre
Højtydende fibre, der anvendes i avancerede kompositter, omfatter kulfiber, aramidfibre (kendt under handelsnavnene Kevlar og Twaron), borfibre, polyethylen (PE) med høj modulus, nyere fibre såsom poly p-phenylen-2,6-benzobisoxazol (PBO) og hybridkombinationer samt. Kevlar er et produkt fra DuPont Protection Technologies (Richmond, VA, USA). Twaronfibre fremstilles af Teijin (Arnhem, Nederlandene).
Kulfiber – langt den mest udbredte fiber i højtydende applikationer – fremstilles af en række forskellige forløbere, herunder polyacrylonitril (PAN), rayon og beg. Forudgangsfibrene behandles kemisk, opvarmes og strækkes, hvorefter de karboniseres for at skabe de højstyrkefibre. De første højtydende kulfiberfibre på markedet blev fremstillet af rayonprækursor. I dag har PAN- og begbaserede fibre erstattet rayonbaserede fibre i de fleste anvendelser. PAN-baserede kulfibre er de mest alsidige og mest udbredte. De tilbyder en fantastisk række egenskaber, herunder fremragende styrke – op til 1.000 ksi – og høj stivhed. Pitchfibre, der er fremstillet af petroleumstjære eller stenkulstjære, har en høj til ekstremt høj stivhed og en lav til negativ aksial termisk udvidelseskoefficient (CTE). Deres CTE-egenskaber er især nyttige i rumfartøjer, der kræver termisk styring, f.eks. i elektroniske instrumenthuse. Kulfiberegenskaberne stimulerer søgningen efter alternative og billigere udgangsmaterialer som f.eks. lignin, der stammer fra papirmasse- og papiraffald. Selv om forskningsindsatsen vinder frem, har sådanne billige fibermaterialer stadig langt igen, før de kan blive levedygtige kommercielle forstærkningsmaterialer.
Selv om de er stærkere end glas- eller aramidfibre, er kulfibre ikke kun mindre slagfaste, men kan også opleve galvanisk korrosion i kontakt med metal. Producenter overvinder sidstnævnte problem ved at anvende et barrieremateriale eller slørlag – ofte glasfiber/epoxy – under laminatoplægning.
Den grundlæggende fiberform for højtydende kulfiber er bundter af kontinuerlige fibre, kaldet tows. En kulfiberwow består af tusindvis af kontinuerlige, ikke snoede filamenter, hvor antallet af filamenter betegnes med et tal efterfulgt af “K”, der angiver multiplikation med 1.000 (f.eks. 12K angiver et filamentantal på 12.000). Tråde kan anvendes direkte i processer som f.eks. filamentvikling eller pultrusion eller kan omdannes til ensrettede bånd, stof og andre forstærkningsformer.
Aramidfibre, der er dannet af aromatisk polyamid, giver en usædvanlig slagfasthed og god strækbarhed (højere end kulstof, men mindre end glas). Standard, højtydende aramidfibre har et modul på ca. 20 Msi, en trækstyrke på ca. 500 ksi og en strækning på næsten 3 %. Aramidfibre er kendt for deres ydeevne i skudsikre veste og andre panser- og ballistiske anvendelser og har været efterspurgt bl.a. på grund af behovet for personbeskyttelse og panser på de retshåndhævende og militære markeder. Aramids egenskaber gør også fiberen til et fremragende valg til helikopterrotorblade, skibsskrog og sportsartikler, hvor slagfasthed er ønsket.
Boronfibre er fem gange så stærke og dobbelt så stive som stål. Bor giver styrke, stivhed og lav vægt og har fremragende kompressionsegenskaber og bøjningsmodstand. Anvendelsen af borkompositter spænder fra sportsartikler, f.eks. fiskestænger, skafter til golfkøller, ski og cykelrammer, til så forskellige anvendelser inden for luft- og rumfart som f.eks. flyhjelmskind, spærelementer og præfabrikerede reparationslapper til fly.
De høje omkostninger ved højtydende fibre kan være afskrækkende for valget af dem, hvis producenterne forsømmer at undersøge, hvordan disse høje omkostninger opvejes af større ydeevne, holdbarhed og designfrihed, som disse materialer giver et projekt, og de deraf følgende positive virkninger, som disse fordele har på en vigtig målestok: livscyklusomkostninger. Dette gælder især for kulfiber, hvis valg historisk set har været kompliceret af betydelige udsving i udbud og efterspørgsel af kulfiber.
Thermosetharpikser
De polymerer, der er mest udbredt i kompositter, er termohærdede, en klasse af plastharpikser, der, når de hærdes ved termisk og/eller kemisk (katalysator eller promotor) eller på anden måde, bliver stort set uopløselige og uopløselige. Efter hærdning kan en termohærdet plast ikke vende tilbage til sin uhærdede tilstand. Selv om næsten alle termohærdningsmaterialer, der anvendes kommercielt i dag, er afledt af råmaterialer fra olie, er F&U og kommercialisering i gang inden for det voksende område for bioharpikser. Bioharpikser, der primært er udviklet i et forsøg på at anvende vedvarende landbrugsråvarer, består i varierende mængder af polyol (fra sojabønner) og ethanol (fra majs).
Umættede polyesterharpikser er de mest udbredte termohærdede i kommercielle masseproduktionsanvendelser takket være deres nemme håndtering, gode balance mellem mekaniske, elektriske og kemiske egenskaber og relativt lave pris. (Mættede polyestere er termoplastiske polymerer.) Typisk kombineret med glasfiberforstærkninger tilpasser polyestere sig godt til en række fremstillingsprocesser og anvendes oftest i åbne sprøjtestøbninger, kompressionsstøbning, harpiksoverførselsstøbning (RTM) og støbning. Polyesterformuleringernes egenskaber kan modificeres for at opfylde specifikke kriterier for ydeevne, baseret på valg af glykol- og syreelementer og reaktive monomerer (oftest styren). Styren tilsættes i mængder på op til 50 % for at reducere viskositeten, hvilket gør harpiksen lettere at håndtere og forarbejde.
Vinylesterharpikser tilbyder en bro mellem billigere, hurtigt hærdende og letforarbejdelige polyestere og epoxyharpikser med højere ydeevne (beskrevet nedenfor). Deres molekylære struktur er meget lig polyesterens, men de har kun reaktive steder i enderne af molekylkæderne og har færre estergrupper. Da estergrupper er modtagelige for hydrolyse, øger vinylestere med færre af dem deres modstandsdygtighed over for vand og kemisk korrosive miljøer, hvilket til dels forklarer deres højere pris. Vinylestere foretrækkes i kemikalietanke og andre anvendelser, hvor korrosionsbestandighed er et vigtigt mål, og de giver også merværdi i strukturelle laminater, der kræver en høj grad af fugtbestandighed (f.eks. skrog og dæk på både). De behandles og hærder på samme måde som polyestere og har potentiale til at give forbedret sejhed, selv om dette normalt kræver en forhøjet temperatur efter hærdning.
Til avancerede kompositmatricer er de mest almindelige termohærdningsmaterialer epoxyer, phenoler, cyanatestere (CE’er), bismaleimider (BMI’er), benzoxaziner og polyimider.
Epoxyharpikser bidrager med styrke, holdbarhed og kemisk modstandsdygtighed til en komposit. De giver høj ydeevne ved forhøjede temperaturer, med varme/våde servicetemperaturer på op til 121 °C. Epoxyharpikser findes i flydende, fast og halvfast form og hærder typisk ved reaktion med aminer eller anhydrider. Epoxier hærdes ikke med en katalysator, som polyesterharpikser, men i stedet med en hærder (også kaldet hærder). Hærderen (del B) og basisharpen (del A) reagerer sammen i en “additionsreaktion” efter et fast forhold. Det er derfor afgørende at anvende det korrekte blandingsforhold mellem harpiks og hærder for at sikre en fuldstændig reaktion. Ellers vil harpiksen hverken hærde fuldt ud eller opnå sine fulde egenskaber. Hærdet epoxy – med termoplast og reaktive gummiforbindelser tilsat for at modvirke sprødhed på grund af den høje grad af tværbinding – er blevet normen i flyskrog af kompositmaterialer med høj procentdel, som f.eks. The Boeing Co.’s 787 Dreamliner og Airbus A350 XWB.
Phenolharpikser er baseret på en kombination af en aromatisk alkohol og en aldehyd, f.eks. phenol, kombineret med formaldehyd. De finder anvendelse i flammebestandige indvendige paneler til fly og på kommercielle markeder, der kræver billige, flammebestandige og røgsvage produkter. Udmærket kuludbytte og ablative (varmeabsorberende) egenskaber har længe gjort phenoler til favoritter i forbindelse med ablative og raketdyser. De har også vist sig at være vellykkede i andre anvendelser end rumfartsapplikationer, især i komponenter til offshore olie- og gasplatforme, og i massetransport- og elektronikanvendelser. Phenoler polymeriseres imidlertid ved hjælp af en kondensationsreaktion, som medfører frigivelse af vanddamp og formaldehyd under hærdningen. Dette fænomen kan skabe hulrum i kompositmaterialet. Som følge heraf er phenolers mekaniske egenskaber noget lavere end for epoxyer og de fleste andre højtydende harpikser.
Cyanatestere (CE’er) er alsidige matricer, der giver fremragende styrke og sejhed, tillader meget lav fugtabsorption og har overlegne elektriske egenskaber sammenlignet med andre polymermatricer, selv om disse fordele er forbundet med en højere pris. CE’er har varme/vådtemperaturer på op til 149 °C og er normalt hærdet med termoplast eller sfæriske gummipartikler. De behandles på samme måde som epoxyer, men deres hærdningsproces er enklere takket være CE’s viskositetsprofil og nominelle flygtige stoffer. De nuværende anvendelser spænder fra radomer, antenner, missiler og ablativer til mikroelektronik og mikrobølgeprodukter.
Blandt de mere eksotiske harpikser anvendes bismaleimider og polyimider (kemisk set nært beslægtede) i højtemperaturanvendelser på fly og missiler (f.eks. til komponenter til jetmotorers gondoler). Bmi’er kan anvendes ved varme/våde temperaturer (op til 232 °C), mens nogle polyimider kan anvendes op til 371 °C i korte perioder. Flygtige stoffer og fugt, der afgives under hærdning, gør polyimiderne vanskeligere at arbejde med end epoxyer eller CE’er; der er udviklet særlige formuleringer og forarbejdningsteknikker for at reducere eller fjerne hulrum og delaminering. Både BMI’er og polyimider har traditionelt udvist større fugtabsorption og lavere sejhedsværdier end CE’er og epoxyer, men der er i de seneste år gjort betydelige fremskridt med hensyn til at skabe sejere formuleringer, og BMI’er fremhæves nu som værende bedre modstandsdygtige over for væskeindtrængning end epoxyer. Den øgede anvendelse af BMI er ikke kun drevet af værktøj og applikationer, hvor driftstemperaturerne overstiger 177 °C, men også af den stigende anvendelse af kompositter i strukturer, der har brug for forbedret ydeevne ved varme/vådt og kompression i åbent hul (OHC) ved moderate temperaturer, f.eks. 80 °C til 120 °C. Dette er grunden til en stor del af dens anvendelse i F-35 Lightning II-jagerflyet, der muliggør skadetolerante strukturer med lavere masse i forhold til epoxy.
Thermoplastiske harpikser
I modsætning til tværforbindende termohærdningsmaterialer, hvis hærdningsreaktion ikke kan vendes, hærder termoplaster, når de afkøles, men bevarer deres plasticitet; det vil sige, at de vil smelte igen og kan omformes ved at genopvarme dem over deres forarbejdningstemperatur. Mindre dyre termoplastiske matricer har lavere forarbejdningstemperaturer, men har også begrænsede anvendelsestemperaturer. De er fremstillet af både tekniske og almindelige plastmaterialer som f.eks. polyethylen (PE), polyethylenterephthalat (PET), polybutylenterephthalat (PBT), polycarbonat (PC), acrylonitrilbutadienstyren (ABS), polyamid (PA eller nylon) og polypropylen (PP). Kommercielle produkter i store mængder, f.eks. sportsfodtøj, ortoser og medicinske proteser, nyder godt af disse harpiks’ hårdhed og fugtbestandighed, hvilket også gælder for luftindtagsmanifold i biler og andre dele under motorhjelmen.
Højtydende termoplastiske harpikser – polyetheretheretherketon (PEEK), polyetherketon (PEK), polyamid-imid (PAI), polyarylsulfon (PAS), polyetherimid (PEI), polyethersulfon (PES), polyphenylensulfid (PPS) og flydende krystalpolymer (LCP) – fungerer godt i omgivelser med høje temperaturer og, når de er hærdet, hverken absorberer de vand eller nedbrydes, når de udsættes for fugt. Forstærket med højtydende fibre har disse harpikser en lang holdbarhed uden nedkøling, og de har enestående slagfasthed og vibrationsdæmpende egenskaber. De giver også mulighed for at anvende genanvendt indhold og letter genanvendelsen af affald og udtjente strukturer.
De kan imidlertid give producenter af kompositmaterialer nogle forarbejdningsudfordringer på grund af deres relativt høje viskositet. Forstærkede termoplastiske kompositter med højtydende harpikser som matricer er ved at vinde indpas i rumfartsapplikationer.
RELATERET INDHOLD
-
Materialer & Processer: Fibre til kompositmaterialer
Kompositmaterialers strukturelle egenskaber stammer primært fra fiberforstærkningen. Fibertyper, deres fremstilling, deres anvendelse og de slutmarkedsanvendelser, hvor de finder størst anvendelse, beskrives.
-
Smedede kompositter erstatter komplekse metaldele
Kraftproducentens højtrykskompressionsstøbningsproces danner præfabrikerede CFRP-komponenter med smedede metalegenskaber.
-
CFRP til biler: Reparation eller erstatning?
Da der anvendes flere kulstofkompositter i strukturelle bilkomponenter, hvordan vil skaderne ved kollisioner blive vurderet og reparationer foretaget?