Composieten – Denken vanuit materiaaleigenschappen

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
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
materiaal en de productiemethode.
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
Gewenste eigenschappen van de composiet:
Waterdicht, druk- en trekresistent, lage dichtheid, vormvast, beschilderbaar,
duurzaam, corrosiebestendig
Uit welke materialen kan de composiet worden samengesteld? Motiveer de samenstelling vanuit
eigenschappen van de materialen.
Noteer hier het antwoord
Op welke manier moeten de materialen worden geordend in de composiet?
Noteer hier het antwoord
Maak de composiet volgens plan en test vervolgens of de gewenste eigenschappen in voldoende
mate zijn gerealiseerd.
Beschrijf de constructie van de composiet.
Noteer hier het antwoord
Op welke manier wordt getest op de gewenste eigenschappen? Beschrijf de testmethode.
Noteer hier het antwoord
Wat zijn de resultaten van de test? Welke verbetering(en) in de materiaaleigenschappen is (zijn)
nog mogelijk?
Noteer hier het antwoord
4
Opdracht B: Dranken bewaren 1
Gewenste eigenschappen van de composiet:
Vloeistofdicht, goedkoop, bedrukbaar, vouwbaar, lijmbaar, voedselveilig,
recyclebaar
Uit welke materialen kan de composiet worden samengesteld? Motiveer de samenstelling vanuit
eigenschappen van de materialen.
Noteer hier het antwoord
Op welke manier moeten de materialen worden geordend in de composiet?
Noteer hier het antwoord
Maak de composiet volgens plan en test vervolgens of de gewenste eigenschappen in voldoende
mate zijn gerealiseerd.
Beschrijf de constructie van de composiet.
Noteer hier het antwoord
Op welke manier wordt getest op de gewenste eigenschappen? Beschrijf de testmethode.
Noteer hier het antwoord
Wat zijn de resultaten van de test? Welke verbetering(en) in de materiaaleigenschappen is (zijn)
nog mogelijk?
Noteer hier het antwoord
5
Opdracht C: Transport van elektriciteit
Gewenste eigenschappen van de composiet:
Elektrisch geleidend, elektrisch isolerend, flexibel, hanteerbaar, goedkoop, veilig,
waterdicht.
Uit welke materialen kan de composiet worden samengesteld? Motiveer de samenstelling vanuit
eigenschappen van de materialen.
Noteer hier het antwoord
Op welke manier moeten de materialen worden geordend in de composiet?
Noteer hier het antwoord
Maak de composiet volgens plan en test vervolgens of de gewenste eigenschappen in voldoende
mate zijn gerealiseerd.
Beschrijf de constructie van de composiet.
Noteer hier het antwoord
Op welke manier wordt getest op de gewenste eigenschappen? Beschrijf de testmethode.
Noteer hier het antwoord
Wat zijn de resultaten van de test? Welke verbetering(en) in de materiaaleigenschappen is (zijn)
nog mogelijk?
Noteer hier het antwoord
6
Opdracht D: Dranken bewaren 2
Gewenste eigenschappen van de composiet:
Hitte bestendig, warmte geïsoleerd, inert, hanteerbaar, duurzaam, voedselveilig,
vormvast, bedrukbaar
Uit welke materialen kan de composiet worden samengesteld? Motiveer de samenstelling vanuit
eigenschappen van de materialen.
Noteer hier het antwoord
Op welke manier moeten de materialen worden geordend in de composiet?
Noteer hier het antwoord
Maak de composiet volgens plan en test vervolgens of de gewenste eigenschappen in voldoende
mate zijn gerealiseerd.
Beschrijf de constructie van de composiet.
Noteer hier het antwoord
Op welke manier wordt getest op de gewenste eigenschappen? Beschrijf de testmethode.
Noteer hier het antwoord
Wat zijn de resultaten van de test? Welke verbetering(en) in de materiaaleigenschappen is (zijn)
nog mogelijk?
Noteer hier het antwoord
7
Opdracht E: Veilig in huis
Gewenste eigenschappen van de composiet:
Brandwerend (60’), Esthetisch verantwoord, beschilderbaar, lage dichtheid,
vormvast, goedkoop
Uit welke materialen kan de composiet worden samengesteld? Motiveer de samenstelling vanuit
eigenschappen van de materialen.
Noteer hier het antwoord
Op welke manier moeten de materialen worden geordend in de composiet?
Noteer hier het antwoord
Maak de composiet volgens plan en test vervolgens of de gewenste eigenschappen in voldoende
mate zijn gerealiseerd.
Beschrijf de constructie van de composiet.
Noteer hier het antwoord
Op welke manier wordt getest op de gewenste eigenschappen? Beschrijf de testmethode.
Noteer hier het antwoord
Wat zijn de resultaten van de test? Welke verbetering(en) in de materiaaleigenschappen is (zijn)
nog mogelijk?
Noteer hier het antwoord
8
Opdracht F: Vliegen
Gewenste eigenschappen van de composiet:
sterker dan staal, dichtheid lager dan Alu, metaalmoeheid resistent,
overschilderbaar, vormbaar, vormvast, thermisch isolerend
Uit welke materialen kan de composiet worden samengesteld? Motiveer de samenstelling vanuit
eigenschappen van de materialen.
Noteer hier het antwoord
Op welke manier moeten de materialen worden geordend in de composiet?
Noteer hier het antwoord
Maak de composiet volgens plan en test vervolgens of de gewenste eigenschappen in voldoende
mate zijn gerealiseerd.
Beschrijf de constructie van de composiet.
Noteer hier het antwoord
Op welke manier wordt getest op de gewenste eigenschappen? Beschrijf de testmethode.
Noteer hier het antwoord
Wat zijn de resultaten van de test? Welke verbetering(en) in de materiaaleigenschappen is (zijn)
nog mogelijk?
Noteer hier het antwoord
9
Opdracht G: Veilig
Gewenste eigenschappen van de composiet:
Doorzichtig, breekvast, vormvast, in verschillende vormen te maken, waterdicht,
krimpvast
Uit welke materialen kan de composiet worden samengesteld? Motiveer de samenstelling vanuit
eigenschappen van de materialen.
Noteer hier het antwoord
Op welke manier moeten de materialen worden geordend in de composiet?
Noteer hier het antwoord
Maak de composiet volgens plan en test vervolgens of de gewenste eigenschappen in voldoende
mate zijn gerealiseerd.
Beschrijf de constructie van de composiet.
Noteer hier het antwoord
Op welke manier wordt getest op de gewenste eigenschappen? Beschrijf de testmethode.
Noteer hier het antwoord
Wat zijn de resultaten van de test? Welke verbetering(en) in de materiaaleigenschappen is (zijn)
nog mogelijk?
Noteer hier het antwoord
10