begrip dat zo ruim kan worden geïnterpreteerd, dat bijna elk constructiemateriaal er onder valt. Kenmerken van composietmaterialen zijn o.a.:
1. een composiet moet door mensenhanden zijn gemaakt (hout, qua structuur een composiet, is een natuurprodukten valt daarom buiten de hier bedoelde groep van materialen);
2. een composiet is een materiaal, bestaande uit twee of meer verschillende bestanddelen met een duidelijke onderlinge geometrische begrenzing (bijv. de autoband met staaldraad- of nylonweefselversterking);
3. een composiet is een driedimensionale combinatie van de elementen (metalen platen met opgewalste lagen voldoen niet aan dit criterium);
4. een composiet heeft eigenschappen die de afzonderlijke elementen niet hebben.
Gelegeerde metalen, gewapend beton en bijv. gesinterde materialen hebben weliswaar genoemde kenmerken, maar zullen niet worden behandeld. Hier worden uitsluitend de materialen bedoeld die meestal versterkte of gewapende kunststoffen worden genoemd, namen die suggereren dat het kunststoffen (kunstharsen) betreft die worden versterkt met een wapening van sterke vezelmaterialen.
De microstructuur van de meeste materialen is naar wens te beïnvloeden; dit geldt ook voor elementen, kunsthars, en het vezelmateriaal van een composiet. Essentieel voor composieten is echter dat door de keuze van de elementen en de samenstelling of opbouw daarvan tot een constructiemateriaal, gestreefd wordt naar een optimum van bepaalde eigenschappen, meestal ten koste van andere, minder belangrijke, eigenschappen.
Composieten hebben, dank zij een groot aantal positieve eigenschappen, in de techniek een eigen plaats als constructiemateriaal veroverd naast de meer conventionele materialen als hout, staal, aluminium enz. Er is een zo grote variëteit in harsen dat voor bijna iedere toepassing een speciale hars verkrijgbaar is. Grote delen en ingewikkelde vormen zijn relatief eenvoudig te maken; bovendien kunnen beschadigingen gemakkelijk worden gerepareerd. Vaak is een economisch verantwoorde produktie van kleine series mogelijk door eenvoudige en niet dure gereedschappen; zelfs bij toepassing van dure persen kunnen door de lage persdrukken de matrijzen meestal van niet-hoogwaardige, goedkope materialen worden gemaakt. Verf hecht zich zonder een ingewikkelde voorbehandeling goed op composieten; door gebruik van vulstoffen kunnen kunstharsen zelfs door en door gekleurd worden. Vaak echter worden composieten juist ongekleurd toegepast om hun goede optische eigenschappen.
De meeste composieten hebben elektrisch een goed isolerende werking en zijn voor elektromagnetische straling goed doorlaatbaar. Ook thermisch is de isolerende werking goed door een zeer lage warmtegeleidingscoëfficiënt; bovendien is de warmtecapaciteit groot; bij temperatuurverhoging aan het oppervlak smelt het materiaal niet maar treedt verkoling op, het onderliggende materiaal blijft echter intact. De weerstand tegen inwerking van vele chemicaliën is groot. De meeste wapeningsvezels hebben in vergelijking met staal en aluminium een grote sterkte en/of stijfheid bij een klein soortelijk gewicht. Door de vezels bij het verwerken met de hars op de juiste manier te oriënteren, kan een voor bepaalde belastingen geoptimaliseerd constructiemateriaal worden verkregen. Hierdoor zijn composieten in zekere zin uniek: de constructeur kan het materiaal zelf samenstellen uit de verschillende bestanddelen in samenhang met de vorm van het produkt en de belastingen die het produkt moet ondergaan.
Uiteraard is er ook een groot aantal factoren met een beperkende invloed op de toepassing van composieten. Een zinvol gebruik van composieten kan dan ook pas worden gemaakt na een zorgvuldige afweging van voordelen en nadelen, waarvan hier een aantal wordt genoemd. De kunstharsen worden in vloeibare toestand verwerkt met de vezels; zij hebben daarna enige tijd nodig om uit te harden, waardoor de produktiesnelheid klein is in vergelijking met bijv. dieptrekken en spuitgieten. Er is meestal veel handarbeid en een uitgebreide nabewerking nodig. De verwerking van kunstharsen vereist vaak bijzondere maatregelen, zoals de afzuiging van hinderlijke, soms zelfs giftige gassen. Vele composieten zijn erg gevoelig voor inwerking van water en waterdamp, evenals voor erosie; inwerking van licht kan veroudering tot gevolg hebben, vaak gepaard gaande met verkleuring. De weerstand tegen stootbelastingen is gering door plaatselijk bezwijken van de hars; dit kan bij bepaalde toepassingen bijv. lekkage tot gevolg hebben. Het mechanisch gedrag van kunstharsen is tijd- en temperatuurafhankelijk, waardoor het gedrag van de combinatie van vezels en hars niet eenvoudig te beschrijven is; voor de sterkteberekening van constructies is dit een sterk complicerende factor. De eigenschappen van composieten zijn in het algemeen (nog) niet goed reproduceerbaar door het grote aantal parameters dat invloed heeft op de vervaardiging van de materialen uit de elementen.
Wapening.
De wapening van kunststoffen kan de vorm hebben van bolletjes, vlokken, naaldjes en korte of lange vezels. De meest bekende wapeningen zijn de volgende.
Glasvezels, het meest toegepast, met een lage prijs; onderscheiden worden o.a. E-glas, M-glas en S-glas.
Boorvezels, met een kern van wolfraam; deze vezels hebben een zeer grote specifieke sterkte en stijfheid, maar zijn erg duur in vergelijking met glasvezels.
Koolstofvezels, ook met een grote specifieke sterkte en stijfheid, eveneens veel duurder dan glasvezels; de prijs vertoont echter een dalende tendens; twee typen worden onderscheiden, nl. de HM-vezels (afk. v. Eng.: high-modulus) en HT-vezels (high-tensile). Op kleine schaal worden ook wel andere vezels toegepast zoals nylon- en orlonvezels. Op laboratoriumschaal worden whiskers vervaardigd, naaldvormige enkelkristallen van o.a. SiC met een lengte van maximaal ca. 1 cm; zij worden thans nog niet toegepast door de zeer hoge prijs en de problemen bij oriënteren.
Fabricage van de wapening.
Glasvezels worden getrokken uit gesmolten glas, dat zich in een platina houder bevindt met veel kleine gaatjes in de bodem (één draad heeft een dikte van ca. 0,007 mm); het glas mag niet hygroscopisch zijn, reden waarom uitsluitend alkali-arme soorten worden gebruikt. Onmiddellijk na het afkoelen worden de vezels of filamenten ter voorkoming van beschadiging en onderlinge afstoting door elektrostatische oplading van een apprêt voorzien, waarna zij worden gebundeld. De bundels worden óf tot garens gesponnen óf op klossen gewonden (roving). De garens worden gebruikt voor weefsels: gericht weefsel heeft meer vezels in de scheringrichting dan in de inslagrichting; bij vierkant weefsel is het aantal vezels in beide richtingen gelijk. Tot korte stukjes gehakte roving worden gebruikt voor mat, niet geweven doek of vilt waarin de vezels willekeurig zijn georiënteerd. Als de vezels in de vorm zijn gebracht waarin zij worden gebruikt, dan wordt het apprêt verwijderd en een hechtinglaag (finish) aangebracht.
Boorvezels worden vervaardigd door op een draad van wolfraam met een diameter van 0,01 mm boor neer te slaan. De draad is door een elektrische stroom tot ca. 1050 °C verhit; boor wordt verkregen door reductie van boorchloride met waterstof. Wolfraam verbindt zich aan het oppervlak met boor tot WB en W2B5; daaromheen zet zich zuivere boor af.
Het oppervlak van de vezel ziet er door de microscoop als een maïskolf uit; dit vermindert de sterkte van de vezel enigszins maar verhoogt op mechanische wijze de hechting met de kunsthars. Wolfraam is vrij zwaar (soortelijk gewicht γ = 192 kN m−3) en duur, maar is de enige stof die in draadvorm bij de hoge temperatuur, nodig voor het neerslaan van de boor, heel blijft en bovendien door stroomgeleiding verhit kan worden. Boorvezels zijn stug en relatief dik (ca. 0,1 mm). Zij worden voorgeïmpregneerd met hars op een mylarlint gelegd, voorgehard en dan op een trommel gewonden. Om de onderlinge afstand van de vezels te handhaven wordt een dun glasweefsellint mee geïmpregneerd als ‘drager’.
Voor het vervaardigen van koolstofvezels kan worden uitgegaan van een rayonvezel die wordt verkoold bij 700...950 °C. De amorfe koolstof gaat daarna bij ca. 2800 °C over in grafietkristallen die door het rekken van de vezel gericht worden; de doorsnede van de aldus verkregen dunne vezels is vrij onregelmatig. Door bij het verkolen uit te gaan van een polyacrylonitril(dacron)draad wordt een koolstofvezel verkregen met een bijna zuiver cirkelvormige doorsnede. In beide gevallen is de diameter van de vezels ca. 0,007 mm. De vezel wordt geleverd in de vorm van garens, bestaande uit twee om elkaar gedraaide (getwijnde) bundels van elk 720 vezels, of in de vorm van tows, ronde bundels van ca. 10.000 vezels. Omdat koolstofvezels erg dun zijn kunnen ze gemakkelijk worden gewikkeld. Bij weven gaat echter door beschadiging veel van de sterkte verloren.
Eigenschappen van wapeningsmaterialen.
In tabel 1 (zie afb.) is van enige materialen een aantal eigenschappen weergegeven. De waarden zijn gemiddelden; bij experimenten blijkt de spreiding in de gemeten grootheden aanzienlijk te zijn. Zo hebben bundels vezels een lagere gemiddelde sterkte dan de enkele vezels en zijn lange vezels door vergroting van de kans op fouten minder sterk dan korte. Voor constructies moet worden gerekend met 50...70% van de gemiddelde sterkte van enkelvoudige vezels.
Als in een grafiek de specifieke sterkte σ ̅/γ en de specifieke stijfheid E/γ tegen elkaar worden uitgezet, blijkt welke winst kan worden behaald op conventionele materialen als staal en aluminium. Wel moet worden bedacht dat het dan gaat om eigenschappen van uitsluitend de wapening; het is dan ook realistischer de specifieke sterkte en stijfheid te beschouwen van de wapening in combinatie met de kunststof. Bovendien gaat de verkregen winst altijd ten koste van andere eigenschappen. Zo zal bijv. een laminaat met evenwijdige vezels als wapening in de richting loodrecht op die vezels slechts een geringe sterkte en stijfheid hebben.
Matrix.
Als matrix of moedermateriaal voor composieten worden overwegend kunstharsen gekozen, met als bekendste: polyesterharsen (het meest toegepast, lage prijs) en epoxyharsen (sterker dan polyester, met een betere chemische resistentie en bestandheid tegen warmte). Het mechanisch gedrag is minder tijdafhankelijk dan dat van polyester; een bezwaar is echter de hogere prijs en de wat moeilijker verwerkbaarheid.
Beide harsen behoren tot de groep van thermoharders. Om de wapeningvezels bij het impregneren goed te bevochtigen, moet de hars een lage viscositeit hebben, wat wordt bereikt door verhoging van de temperatuur tijdens de verwerking, hetgeen daarna tevens het uitharden van de hars versnelt. Bij dit uitharden (polymeriseren) vormen de lange, ketenvormige moleculen onderling dwarsverbindingen (crosslinks). Afhankelijk van de mate waarin deze cross-links zich hebben gevormd kunnen de sterkte en stijfheid van de hars nogal uiteen lopen.
Boven 120...150 °C nemen de mechanische eigenschappen van polyester- en epoxyharsen sterk af. Voor toepassing bij hogere temperaturen, tot ca. 400 °C, zijn harsen ontwikkeld waarvan de bekendste de cycloalifaten zijn. Verwerking van deze harsen vereist echter zeer bijzondere maatregelen.
Behalve deze thermohardende kunstharsen worden soms ook thermoplasten als nylon en methylacrylaat als matrix toegepast; ook metalen als aluminium en magnesium kunnen als matrix dienen.
Samenwerking matrix-versterkingsvezel.
In een composiet zijn twee totaal verschillende materialen samengebracht teneinde een materiaal te krijgen met zoveel mogelijk goede eigenschappen van beide componenten. De goede mechanische eigenschappen zoals grote treksterkte en stijfheid ontleent een composiet aan de wapening; van directe invloed op de eigenschappen is de mate van vulling van de kunsthars met vezels (vezelgehalte). Algemeen geldt dat de functie van de matrix in het composiet is de wapening in staat te stellen belastingen op te nemen, wat gebeurt door: het distribueren van de belasting over de vezels; het steunen van de vezels tegen uitknikken; het beschermen van de vezels tegen chemische en mechanische aantasting; en (soms) het hanteerbaar maken van de vezels tijdens de verwerking door voorimpregneren. Essentieel voor de goede samenwerking tussen vezels en hars is de hechting (bijv. te bevorderen door een finish of hechtmiddel).
Bijzondere problemen treden op bij de samenwerking tussen koolstofvezels en kunsthars door de negatieve uitzettingscoëfficiënt in de langsrichting van de vezels en de ten opzichte van de hars kleine positieve uitzettingscoëfficiënt in dwarsrichting van de vezels. Bij een dichte stapeling van de vezels kunnen bij afkoeling trekspanningen in de hars ontstaan die loslating veroorzaken.
Samenwerking op microschaal.
Omdat de vezels doorgaans een lengte hebben die duizenden malen de diameter bedraagt, kan worden gesteld dat matrix en vezel evenveel rekken. De vezels in een composiet zijn niet oneindig lang; waar een vezel eindigt wordt de belasting van de vezel overgedragen aan de omgeving. Bestaat deze omgeving uit louter matrix, dan ontstaat ter plaatse een spanningsverhoging die in de relatief zwakke matrix gemakkelijk tot breuk kan leiden. Bij een zeer laag vezelgehalte kunnen de vezels daardoor de matrix inderdaad verzwakken in plaats van versterken.
Bij hogere vezelgehalten draagt de matrix door schuifspanningen de belasting over aan nabijgelegen vezels, mits er een goede hechting tussen vezels en matrix is. Naarmate de belasting toeneemt en de breukgrens van het composiet dichter wordt genaderd, breken er steeds meer vezels op verschillende plaatsen, gebieden gevend waarbinnen de matrix de belasting moet overdragen op nabijgelegen vezels. Komen die gebieden te dicht bij elkaar, dan zal een belangrijk deel van de belasting door uitsluitend matrix moeten worden opgenomen, waartoe deze echter niet in staat is, zodat de breukzone ontstaat. De zones gaan elkaar tenslotte overlappen en leiden de totale breuk (met zeer rafelig uiterlijk) van het composiet in.
Fabricagemethoden van composieten.
Afhankelijk van de vorm van het produkt en de gestelde eisen komt fabricage altijd hierop neer: de vezels moeten met de vloeibare hars worden geimpregneerd; de hars en de vezels moeten gezamenlijk in de juiste vorm worden gebracht; de hars moet uitharden; het produkt moet worden nabewerkt. Plastisch vervormen zoals dieptrekken, buigen en walsen is bij composieten niet mogelijk.
Bij het persgieten wordt de vloeibare hars met 20...30% kortgehakte vezeltjes tot een dik vloeibare, kneedbare massa vermengd en, met een uithardingsmiddel, in een gesloten, verwarmde matrijs geperst. Deze methode is geschikt voor kleine onderdelen die licht en relatief sterk moeten zijn.
Bij de preformmethode wordt op een ruw model van gaas een laag vezels gespoten en door onderdruk in het model op zijn plaats gehouden; in een tweedelige mal wordt eerst een hoeveelheid hars gegoten. Daarop wordt de zgn. preform gelegd en vervolgens wordt de mal gesloten. De hars wordt daarbij in de vezelmassa (vezelgehalte 30...40%) geperst en de lucht verdreven. De methode is geschikt voor matig grote series.
Bij de hand-vormmethode of hand lay-up wordt een eenvoudige mal, bijv. hout of gips, bedekt met een scheidingsmiddel; daarop wordt een dunne laag hars aangebracht waarin vezels in de vorm van een weefsel of mat worden gelegd. Na het opnieuw aanbrengen van een laag hars en het eventueel verwijderen van luchtbellen en overtollige hars, wordt een tweede laag vezels aangebracht enz. Het produkt kan tot 50% vezels bevatten en is daarom sterker dan die van de voorgaande methoden. Door vacuümzuigen kan zelfs een vezelgehalte van 60% worden verkregen. De methode is alleen geschikt voor kleine series. Het produkt is alleen aan de kant van de mal glad. Voor bepaalde toepassingen is dan ook een negatieve mal nodig om het produkt aan de buitenkant mooi glad te krijgen.
Bij de prepregmethode zijn de vezels, meestal in de vorm van een weefsel, voorgeïmpregneerd met de juiste hoeveelheid hars die gedeeltelijk is uitgehard. Vellen van dit kleverige materiaal worden op maat geknipt en op een mal gelegd, afgedekt en vervolgens in een autoclaaf of onder vacuüm in een oven uitgehard. Deze methode geeft produkten met een constantere kwaliteit dan de handvormmethode en is beter geschikt voor serieproduktie.
Bij wikkelen wordt gebruik gemaakt van rovings van vele honderden meters lang. De (niet getwijnde) roving bestaat uit duizenden vezels. Van het produkt wordt een mal gemaakt die op een spil wordt rondgedraaid. De rovings worden van spoelen afgewikkeld, door een harsbad geleid en volgens een bepaald patroon onder een zekere voorspanning op de mal gewikkeld, tot deze geheel met vezels bedekt is tot de gewenste wanddikte. Uitharden kan bij kamertemperatuur geschieden of naderhand in een oven. Doelmatig is bijv. een mal van polyvinylalcohol en zand, die voldoende stevig is maar met warm water eenvoudig kan worden opgelost en verwijderd. De vezels liggen netjes zij aan zij waardoor een hoog vezelgehalte, tot ca. 80% kan worden verkregen, zodat het produkt een grote sterkte heeft. Het proces verloopt niet snel en leent zich alleen voor grote series indien meerdere rovings (soms wel 60) gelijktijdig worden gewikkeld.
Toepassingen.
Reeds in de Oudheid werden door vermenging van in de natuur gevonden materialen composieten gemaakt die belangrijk betere eigenschappen hadden dan de afzonderlijke elementen (bijv. de combinatie leem en riet als bouwmateriaal). Na de Tweede Wereldoorlog kwam de ontwikkeling van de composieten, tot dan geheel in de militaire sector gelegen, na een stilstand van een tiental jaren op gang in de civiele sector.
In het vervoerswezen is belangrijk de combinatie van grote sterkte bij laag gewicht en goede duurzaamheid. Zo heeft in de scheepsbouw voor zeilboten en jachten de glasvezelversterkte polyester het hout bijna geheel verdrongen. Ook voor kleine marinevaartuigen (niet-magnetische mijnenvegers) en loodsboten wordt dit materiaal veel gebruikt. In de vliegtuigbouw wordt glasvezelversterkte polyester en epoxy voor vele, niet-dragende delen in het interieur van vliegtuigen gebruikt, evenals voor laag belaste, gestroomlijnde delen van de constructie en voor radarradomes. Vele moderne zweefvliegtuigen zijn geheel uit glasvezelcomposiet vervaardigd. Met koolstofvezel en boorvezel versterkte kunststoffen (vaak advanced-composites genoemd) worden steeds meer toegepast. In de ruimtevaart hebben deze materialen reeds een eigen plaats veroverd. Te noemen zijn verder o.a. carrosseriedelen van auto’s, cabines van vrachtwagens, koelwagens, tankwagens en delen in het interieur van spoorwagens.
In de chemische industrie wordt gebruik gemaakt van de chemische resistentie van composieten gecombineerd met de grote sterkte, voor bijv. drukvaten, reservoirs voor vloeistoffen en gassen, pijpleidingen, riolering.
In de elektronica is de elektrisch isolerende werking van belang; glasvezelversterkte epoxy wordt gebruikt o.a. als basismateriaal voor prints.
In de bouwkunde spelen de warmteisolerende werking, de optische eigenschappen, de grote sterkte en de gemakkelijke vormgeving een rol; toepassingen zijn o.a. schaaldaken, golfplaten, panelen en koepels.
Uit de veelheid van toepassingen worden verder nog genoemd: huishoudelijke gebruiksartikelen, de apparatenbouw, sportartikelen (werphengels), militaire toepassingen (kogelvesten) en toepassingen in het verkeer (spoorbomen, motorhelmen).