Fiberförstärkta material
av Heikki Reijonen Forum 1970-16, sida 19-20, 21.10.1970
Heikki Reijonen:
Fiberförstärkta material
Plast förstärkt med glasfiber är ett klassiskt exempel på sk fiberförstärkta eller heterogena material. Under de senaste åren har utvecklingen inom detta område gått framåt så snabbt att den har överraskat till och med materialingenjörer. Dessa nya material kan vara 4—500 procent starkare än vanligt stål, men endast en tredjedel så tunga och dessutom ha bra uthållighe vid höga temperaturer.
Utvecklingen av .rymdfarkoster och stora jetplan har krävt material med god hållfasthet och hög elasticitetsmodul jämfört med vikten. Det är uppenbart att man har kommit ganska nära gränsen av »vanliga» eller homogena material och att det inte mera är möjligt att avsevärt förbättra materialets egenskaper genom legeringsutveckling. Mycket få strukturmetaller eller -legeringar har kvoten av hållfasthet och vikt större än 25 X 108 mm. Endast några titanlegeringar och specialstål överskrider detta värde. Kvoten av elasticitetsmodul och vikt är ungefär lika stor, 10? mm, för alla vanliga strukturmaterial (aluminium, magnesium, stål, titan).
Exotiska material, som tidigare varit tillgängliga endast i laboratorieskala, t ex aluminiumoxid (safir), bor, borkarbid och -nitrid, kiselkarbid, grafit och även fin wolfram- eller ståltråd, kan nu tillverkas industriellt. Höga värden på hållfastheten nås när dessa material är i form av defektfria enkristaller, sk whiskers, eller kontinuerliga fibrer eller trådar. Sträckgränsen ligger så högt som 250—500 kp/mm?, även 700 kp/mm? är möjligt. Elasticitetsmodulen börjar från ungefär 20 000 kp/mm? och stiger till ca 40 000 kp/mm?, I allmänhet är dessa material tämligen lätta och de smälter först vid höga temperaturer, vilket gör dem mycket lockande för många ändamål. Det finns ju nog några nackdelar också; ultrahårda material är mycket spröda och — naturligtvis — dyra.
Alternativa lösningar
Med sådana här material tillgängliga, hur kan man förvandla dem till användbara strukturmaterial? Whiskers av mikroskopisk storlek eller långa fibrer med mycket liten diameter har ju ganska litet gemensamt med komponenter, som förekommer i flygplan eller maskinkonstruktioner. För att utnyttja deras exceptionella egenskaper är det logiskt att integrera dessa material med någon matris så att man kan tillverka komponenter av önskad form.
Det finns två principer i utvecklingen av fiberförstärkta eller heterogena material. Den ena är att matrismaterialet är det egentliga konstruktionsmaterialet och fiber eller whiskers tillläggs för att förstärka matrisen över vanliga hållfasthetsvärden. Den andra metoden är att det förstärkande materiale är källan för de utmärkta fysikaliska egenskaperna och matriVänd!
Forum 16/70
STRÄCKGRÄNS, KP/MM? 500
Magnesium
Aluminiu 100 |] STRÄCKGRÄNS/ VIKT, x 105 MM
Sträckgränsen och kvoten av sträckgränsen och vikten för några konstruktionsmaterial samt förstärkande fibrer och whiskers.
19
Fiberförstärkta material
Forts.
sens funktion är att göra dessa egenskaper användbara. Det verkar som om den sistnämnda metoden bättre skulle leda till den önskade utvecklingen av förstärkta material. Man strävar till mycket hög volymprocent av fiber, matrisen bara limmar dem tillsammans.
Åtminstone i laboratorieförhållanden har man gjort försök med nästan alla tänkbara kombinationer av armeringsfibrer och matris. Plast är det äldsta matrismaterialet, känt redan på 1940-talet. För närvarande finns det många lämpliga polymerer, t ex polyester, epoks, polyimider, siliconer o s v. Som fiber kommer ifråga glasfiber, grafit och bor i fiberform bunden omkring en mycket tunn wolframtråd; detta upptäcktes i början av 60-talet i USA. Plastmatrisen är ekonomisk att tillverka, men kan användas endast vid tämligen låga temperaturer. En keramisk matris håller sin form även vid mycket höga temperaturer, men är mycket dyr och har därför endast några få tillämpningar.
Utvecklingens tyngdpunkt
Tyngdpukten i utvecklingen ligger nu i metallmatriser, fast de är nästan 10 gånger så dyra som plastmatriser. Borfiber i aluminium är den mest undersökta kombinationen. I en nära framtid kommer man förmodligen att kunna använda i ökande omfattning grafitfiber, på vilkas utveckling man satsar mycket resurser till exempel i England. Grafitfibrernas egenskaper har ännu en alltför stor spridning, men materialet är inte alls färdigt utvecklat och man väntar sig att grafit skall ge lägre kostnader i framtida tillämpningar jämfört med bor. Nickel, kobolt, krom, titan och stål är tänkbara matriser i framtiden.
Eftersom fiberförstärkningen i materialet har en viss orientering är också hållfasthetsegenskaperna anisotropiska. Man måste alltså integrera materialets och komponentens egenskaper, och ofta måste de tillverkas tillsammans för att nå optimala resultat. Mycket teoretiskt och experimentellt forskningsarbete pågår för att öka förståelsen av fiberförstärkta materials beteende under olika belastningsförhållanden. Även i Finland måste startas forskning inom fiberteknologin för att introducera dessa mäterial för industriellt bruk rätt snabbt. Det torde inte vara omöjligt att här i landet tillverka en del »supermaterial». Deras inflytande kommer att bli allt större inte endast i flygplanskonstruktioner men också i andra avancerade fordon. för varje fas
Steglös varvtalreglering a — likströmsmotorer 0,25 …250 k — kommutatormotorer 2,2…45 kW, regleringsområde 1:3, 1:5, 1:25
Vi levererar ocks — trefas-kortslutningsmotorer — enfasmotorer — kortslutnings och släpringade motore — generatorer [ELebsrotecknit)
EXPORT-IMPORT 102 Berlin DDR
KONEMYYNTI OY
Karelargatan 2 — Helsingfors 52 — växel 7651 22 — telex 12-132 20
Forum 16/70