Materialen en processen: Composietvezels en harsen

Het moderne gebruik van composietmaterialen in de fabricage is niet nieuw. Het gaat verscheidene decennia terug, tot het begin van de jaren zestig. En voor die tijd werd de combinatie van vezels met een vloeibare matrix gebruikt in een verscheidenheid van toepassingen, variërend van de beproefde gedroogde modder en stro (adobe bakstenen) tot een concept-auto ontwikkeld door Ford Motor Co. (Detroit, Mich., V.S.) in 1941 met carrosseriepanelen van met natuurlijke vezels versterkte composieten.

Verder dan oude materialen als staal, aluminium, ijzer en titanium zijn composieten nog in opkomst, en worden ze nu pas beter begrepen door ontwerp- en fabricagetechnici. Verder worden composieten gehinderd door hun niet-isotrope aard, waardoor ze moeilijk te modelleren en te simuleren zijn. De fysische eigenschappen van composieten – in combinatie met het onovertroffen lichte gewicht – maken ze echter ontegenzeggelijk aantrekkelijk.

Voor de beginnende composietontwerper is er gelukkig hoop, en die ligt in het feit dat deze materialen gemakkelijk begrepen en toegepast kunnen worden. Wat volgt is een primer op de vezels en harsen typisch gebruikt in composieten fabricage.

Winnende eigenschappen

Hoge sterkte en laag gewicht blijven de winnende combinatie die composietmaterialen in nieuwe arena’s stuwt, maar andere eigenschappen zijn even belangrijk. De samengestelde materialen bieden goede trillingsdemping en lage coà “fficià “nt van thermische uitbreiding (CTE) aan, kenmerken die voor gespecialiseerde toepassingen kunnen worden gebouwd. Composieten zijn bestand tegen vermoeiing en bieden ontwerp- en fabricageflexibiliteit waardoor het aantal onderdelen dat nodig is voor specifieke toepassingen aanzienlijk kan worden verminderd – wat zich vertaalt in een eindproduct dat minder grondstoffen, minder verbindingen en bevestigingsmiddelen en een kortere assemblagetijd vereist. Composieten hebben ook bewezen weerstand te bieden tegen extreme temperaturen, corrosie en slijtage, vooral in industriële omgevingen, waar deze eigenschappen veel bijdragen aan het verlagen van de kosten van de levenscyclus van het product. Deze eigenschappen hebben ertoe geleid dat composieten op grote schaal worden toegepast. De drang naar brandstofbesparing en efficiency, bijvoorbeeld, heeft lichtgewicht een prioriteit gemaakt in bijna elke vorm van mechanisch vervoer, van fietsen tot grote commerciële vliegtuigen.

Sinds The Boeing Co.’s (Chicago, Ill., U.S.) 787 Dreamliner – 50% composiet in gewicht en 100% composiet op zijn aerodynamische oppervlakken – in productie ging en in december 2009 met succes zijn eerste vlucht maakte, hebben composieten hun weg verdiend naar primaire en secundaire lucht- en ruimtevaartstructuren en hebben ze in de lucht- en ruimtevaartwereld een grotere plaats gekregen in het interieur van vliegtuigen. De 787 heeft sindsdien gezelschap gekregen van andere composieten-intensieve vliegtuigen van onder meer zijn concurrent in commerciële transportvliegtuigen, Airbus (Toulouse, Frankrijk). De eerste 52% composiet Airbus A350 XWB werd geleverd bij het aanbreken van 2015. Airbus verwerkte eerder al composieten in zijn A380 superjumbo passagiersvliegtuig en zijn A400M militair transportvliegtuig. De vier programma’s zijn een huidige vervulling van een langverwachte transformatie die ook de markt van de algemene luchtvaartvliegtuigen heeft ingehaald en al lang deel uitmaakt van de militaire vliegtuigbouw. Beschikbaar in meer en meer diverse materiële vormen, en produceerbaar door een uitgebreide serie van het vormen van en het vormen van processen – hebben de schijnwerper in productiearena’s over de hele wereld genomen of zijn klaar om te nemen.

Een definitief ander materiaal

Composieten verschillen van traditionele materialen in die zin dat samengestelde delen twee duidelijk verschillende componenten omvatten – vezels en een matrixmateriaal (meestal een polymeerhars) – die, wanneer gecombineerd, discreet blijven maar interactief functioneren om een nieuw materiaal te maken, waarvan de eigenschappen niet kunnen worden voorspeld door eenvoudig de eigenschappen van zijn componenten op te tellen. In feite is een van de grote voordelen van de vezel/hars-combinatie haar complementaire aard. Dunne glasvezels, bijvoorbeeld, vertonen een relatief hoge treksterkte, maar zijn gevoelig voor beschadiging. De meeste polymeerharsen daarentegen hebben een zwakke treksterkte maar zijn uiterst taai en buigzaam. Wanneer gecombineerd, echter, gaan de vezel en de hars elk de zwakheid van de andere tegen, producerend een materiaal veel nuttiger dan één van zijn afzonderlijke componenten.

De structurele eigenschappen van composietmaterialen worden hoofdzakelijk afgeleid uit de vezelversterking. Commerciële composieten voor grote markten, zoals auto-onderdelen, boten, consumptiegoederen en corrosiebestendige industriële onderdelen, worden vaak gemaakt van discontinue, willekeurig georiënteerde glasvezels, of continue maar niet-georiënteerde vezelvormen. Geavanceerde composieten, oorspronkelijk ontwikkeld voor de militaire ruimtevaartmarkt, bieden prestaties die superieur zijn aan die van conventionele structurele metalen en vinden nu toepassingen in communicatiesatellieten, vliegtuigen, sportartikelen, transport, zware industrie en in de energiesector in olie- en gasexploratie en de bouw van windturbines.

High-performance composieten ontlenen hun structurele eigenschappen aan continue, georiënteerde, zeer sterke vezelversterking – meestal koolstof, aramide of glas – in een matrix die de verwerkbaarheid bevordert en de mechanische eigenschappen, zoals stijfheid en chemische weerstand, verbetert.

De vezeloriëntatie kan worden gecontroleerd, een factor die de prestaties in elke toepassing kan verbeteren. In composiet golfclub schachten, bijvoorbeeld, boor en koolstof vezels georiënteerd onder verschillende hoeken binnen de composiet schacht in staat stellen om het beste te profiteren van hun sterkte en stijfheid eigenschappen en torsie belastingen en meerdere buig-, druk- en trekkrachten weerstaan.

Een matrix kan polymere, keramische of metalen zijn. De polymeermatrices die het meest worden gebruikt voor composieten in commerciële en hoogwaardige ruimtevaarttoepassingen zijn thermohardende harsen, bestaande uit polymeerketens die permanent worden uitgehard tot een verknoopt netwerk wanneer ze worden gemengd met een katalysator, blootgesteld aan warmte, of beide. Het uitharden gebeurt meestal onder verhoogde temperatuur en/of druk in een oven en/of vacuümzak of in een autoclaaf. Alternatieve maar minder gebruikte uithardingstechnologieën zijn onder meer elektronenbundel, ultraviolette (UV) straling, röntgenstraling en microgolfprocessen.

Het andere meest gebruikte matrijstype is thermoplastisch (TP) hars, dat een steeds populairdere optie voor composietfabrikanten blijkt te zijn. Thermoplastische lineaire polymeerketens worden gevormd en kunnen in gevormde vaste stoffen worden hervormd door het materiaal te smelten of te verweken en vervolgens af te koelen. Vaak verkocht in plaat- of paneelvorm, kunnen thermoplasten worden verwerkt door in-situ consolidatietechnieken, zoals eenvoudig persvormen om taaie, bijna-netto-vormdelen te maken zonder de autoclaaf of vacuüm-bag cure die bij thermoharders vereist is. TP reformability biedt de mogelijkheid om afwijkingen te corrigeren of in-service schade te herstellen.

Glasvezels

De overgrote meerderheid van alle vezels die in de composietenindustrie worden gebruikt, is glas. Glasvezels zijn de oudste en de meest gebruikte versterking in de meeste eindmarkttoepassingen (de lucht- en ruimtevaartindustrie is een belangrijke uitzondering) om zwaardere metalen onderdelen te vervangen. Glasvezel weegt meer dan de tweede meest gebruikte versterking, koolstofvezel, en is niet zo stijf, maar het is slagvaster en heeft een grotere breukrek (d.w.z. het rekt meer uit voordat het breekt). Afhankelijk van het glastype, de filamentdiameter, de chemie van de coating (de zogenaamde “sizing”) en de vezelvorm, kan een breed scala aan eigenschappen en prestatieniveaus worden bereikt.

Glasfilamenten worden geleverd in bundels die strengen worden genoemd. Een streng is een verzameling ononderbroken glasvezels. Met roving wordt in het algemeen een bundel niet-gedraaide draden bedoeld, die net als draad op een grote klos zijn verpakt. Eendraads roving bestaat uit strengen die zijn samengesteld uit ononderbroken, meervoudige glasdraden die over de lengte van de streng lopen. Meeraderig roving bevat lange, maar niet volledig ononderbroken draden, die tijdens het spoelen in een verspringende volgorde worden toegevoegd of weggelaten. Garen is een verzameling strengen die in elkaar zijn gedraaid.

Versterke vezels

Versterke vezels die in geavanceerde composieten worden gebruikt, zijn onder meer koolstofvezels, aramidevezels (bekend onder de handelsnamen Kevlar en Twaron), boriumvezels, polyethyleen (PE) met hoge modulus, nieuwere vezels zoals poly-p-fenyleen-2,6-benzobisoxazool (PBO), en hybride combinaties. Kevlar is een product van DuPont Protection Technologies (Richmond, VA, VS). Twaron-vezels worden geproduceerd door Teijin (Arnhem, Nederland).

Koolstofvezel – verreweg de meest gebruikte vezel in hoogwaardige toepassingen – wordt geproduceerd uit een verscheidenheid van precursors, waaronder polyacrylonitril (PAN), rayon en pek. De precursorvezels worden chemisch behandeld, verhit en uitgerekt en vervolgens gecarboniseerd om de zeer sterke vezels te creëren. De eerste hoogwaardige koolstofvezels op de markt werden gemaakt van rayon-precursor. Tegenwoordig zijn vezels op basis van PAN en pitch in de meeste toepassingen in de plaats gekomen van vezels op basis van rayon. Op PAN gebaseerde koolstofvezels zijn het meest veelzijdig en worden het meest gebruikt. Zij bieden een verbazingwekkend scala aan eigenschappen, waaronder een uitstekende sterkte – tot 1.000 ksi – en een hoge stijfheid. Pekvezels, gemaakt van aardolie of koolteerpek, hebben een hoge tot extreem hoge stijfheid en een lage tot negatieve axiale thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE). Hun CTE-eigenschappen zijn vooral nuttig in ruimtevaarttoepassingen die thermisch beheer vereisen, zoals behuizingen voor elektronische instrumenten. De eigenschappen van koolstofvezels stimuleren het zoeken naar alternatieve en minder dure grondstoffen, zoals lignine, dat wordt gewonnen uit pulp- en papierafval. Hoewel de onderzoekinspanningen tractie winnen, hebben dergelijke goedkope vezelmaterialen nog ver te gaan om levensvatbare commerciële versterkingskeuzen te worden.

Hoewel zij sterker zijn dan glas- of aramidevezels, zijn de koolstofvezels niet alleen minder schokbestendig maar kunnen ook galvanische corrosie ervaren in contact met metaal. Fabrikanten ondervangen dit laatste probleem door een barrièremateriaal of sluierlaag te gebruiken – vaak glasvezel/epoxy – tijdens de laminaat layup.

De basisvezelvorm voor hoogwaardige koolstofvezels zijn bundels van continue vezels die sleep worden genoemd. Een koolstofvezeltouw bestaat uit duizenden ononderbroken, niet-gedraaide filamenten, waarbij het aantal filamenten wordt aangeduid met een getal gevolgd door “K”, wat de vermenigvuldiging met 1000 aangeeft (bv. 12K geeft een aantal filamenten van 12.000 aan). Strengen kunnen direct worden gebruikt, in processen zoals filament winding of pultrusie, of kunnen worden omgezet in unidirectionele tape, weefsel en andere versterkingsvormen.

Aramidevezels, gevormd uit aromatisch polyamide, bieden een uitzonderlijke slagvastheid en een goede rek (hoger dan koolstof, maar minder dan glas). De standaard, hoogwaardige aramidevezel heeft een modulus van ongeveer 20 Msi, een treksterkte van ongeveer 500 ksi en een rek van bijna 3%. Aramidevezel staat bekend om zijn prestaties in kogelvrije vesten en andere pantser- en ballistische toepassingen, en er is vraag naar, deels vanwege de behoefte aan bescherming van personeel en pantser in de rechtshandhavings- en militaire markten. De eigenschappen van aramide maken de vezel ook een uitstekende keus voor helikopterrotorbladen, scheepsrompen en sportartikelen waar schokweerstand wordt gewenst.

Boriumvezels zijn vijf keer zo sterk en twee keer zo stijf als staal. Borium zorgt voor sterkte, stijfheid en licht gewicht, en bezit uitstekende samendrukbare eigenschappen en knikweerstand. Toepassingen voor boriumcomposieten variëren van sportartikelen, zoals vishengels, golfclubschachten, ski’s en fietsframes, tot ruimtevaarttoepassingen, zoals vliegtuigdempennagehuiden, trussleden en geprefabriceerde vliegtuigreparatiepleisters.

De hoge kosten van hoogwaardige vezels kunnen een afschrikmiddel zijn om ze te kiezen, als fabrikanten nalaten te onderzoeken hoe die hoge kosten worden gecompenseerd door betere prestaties, duurzaamheid en ontwerpvrijheid die deze materialen in een project brengen en de daaruit voortvloeiende positieve effecten die deze voordelen hebben op een belangrijke metriek: levenscycluskosten. Dit geldt met name voor koolstofvezel, waarvan de selectie historisch gezien is gecompliceerd door aanzienlijke schommelingen in vraag en aanbod van koolstofvezel.

Vinylesterharsen bieden een brug tussen goedkopere, snel uithardende en gemakkelijk verwerkbare polyesters en epoxyharsen met hogere prestaties (hieronder beschreven). Hun moleculaire structuur lijkt sterk op die van polyester, maar zij hebben alleen aan de uiteinden van de moleculaire ketens reactieve plaatsen en hebben minder estergroepen. Omdat estergroepen gevoelig zijn voor hydrolyse, verhogen minder estergroepen de weerstand van vinylesters tegen water en chemisch corrosieve omgevingen, wat gedeeltelijk hun hogere prijs verklaart. Vinylesters worden bij voorkeur gebruikt in chemische tanks en andere toepassingen waar corrosiebestendigheid een belangrijke doelstelling is, en zij voegen ook waarde toe in structurele laminaten die een hoge graad van vochtbestendigheid vereisen (zoals scheepsrompen en dekken). Zij worden verwerkt en genezen gelijkaardig aan polyesters, met het potentieel om betere taaiheid aan te bieden, hoewel dit gewoonlijk een verhoogde temperatuur na het genezen vereist.

Voor geavanceerde samengestelde matrijzen, zijn de gemeenschappelijkste thermosets epoxy’s, phenolics, cyanate esters (CEs), bismaleimides (BMIs), benzoxazines en polyimides.

Cyanaat esters (CE’s) zijn veelzijdige matrices die een uitstekende sterkte en taaiheid bieden, een zeer lage vochtopname toestaan en superieure elektrische eigenschappen bezitten in vergelijking met andere polymeer matrices, hoewel deze voordelen tegen een hogere prijs komen. CE’s hebben een hete/natte gebruikstemperatuur tot 149 °C en worden gewoonlijk gehard met thermoplasten of bolvormige rubberdeeltjes. De verwerking is vergelijkbaar met die van epoxy’s, maar het uithardingsproces is eenvoudiger, dankzij het viscositeitsprofiel en de nominale vluchtige stoffen van CE. De huidige toepassingen variëren van radarkoepels, antennes, raketten en ablatieven tot micro-elektronica en microgolfproducten.

Tot de meer exotische harsen behoren bismaleïmiden en polyimiden (chemisch gezien nauwe verwanten) die worden gebruikt in toepassingen bij hoge temperaturen in vliegtuigen en raketten (b.v. voor de gondelcomponenten van straalmotoren). BMI’s bieden warme/natte diensttemperaturen (tot 232°C), terwijl sommige polyimiden gedurende korte perioden tot 371°C kunnen worden gebruikt. Vluchtige stoffen en vocht die vrijkomen tijdens het uitharden, maken de verwerking van polyimiden moeilijker dan epoxy’s of CE’s; er zijn speciale formulerings- en verwerkingstechnieken ontwikkeld om holten en delaminatie te verminderen of te elimineren. Zowel BMI’s als polyimiden hebben van oudsher een hogere vochtabsorptie en lagere taaiheidswaarden dan CE’s en epoxy’s, maar er is de laatste jaren aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het maken van taaiere formuleringen, en van BMI’s wordt nu gezegd dat zij beter bestand zijn tegen het binnendringen van vloeistoffen dan epoxy’s. Het toenemende gebruik van BMI’s wordt niet alleen gestimuleerd door gereedschappen en toepassingen waarbij de gebruikstemperatuur hoger is dan 177°C, maar ook door het toenemende gebruik van composieten in structuren waarvoor betere prestaties nodig zijn bij warm/nat en open gat compressie (OHC) bij gematigde temperaturen, b.v. 80°C tot 120°C. Dit is de reden achter veel van het gebruik ervan op de F-35 Lightning II-gevechtsvliegtuig, waardoor schade-tolerante structuren bij lagere massa vs. epoxy.