Kolfiberarmerad plast
av Kai Finell Forum 1971-08, sida 30-31, 28.04.1971
[g
Kolfiberarmerad plas —- ett relativt okänt konstruktionsmaterial
Av dipl.ing. Kai Finell
En balk av kolfiberarmerad plast under hållfasthetsprov. Nedan visas en fraktur i balken i närbild efter avslutat prov. (Bilden ur Dornier-Post 30
Stor hållfasthet i kombination med låg specifik vikt är otaliga konstruktörers önskedröm. Metallerna beryllium och titan fyller i många avseenden mycket högt ställda krav “men för massproduktionsartiklar är de oöverkomligt dyr och dessutom svårbearbetade. Numera koncentreras därför allt större intresse på avancerade kompositmaterial, , dvs. ytterst tunna men extremt hållfasta flbrer inbakade i lämpligt matrisbindemedel, enligt modell glasfiberarmerad plast. Vida starkare armeringsmaterlal än glas är nu på rask frammarsch såsom olika slags »metallwhiskers», bor-, safir- och kolfibrer. I allmänt industriellt sammanhang står kolfiberplasten just nu i främsta rampljuset. Närmast tack vare ett fördelaktigt prisläge i förhållande till de övriga materialen, som än så länge sparas för produkter där materialkostnaderna spelar en underordnad roll i jämförelse med eftersökta tekniska egenskaper.
Den teknologiska utvecklingen har alltid — så att säga språngvis — gynnats av plötsligt uppdykande nya material med överlägsna egenskaper. I våra dagar är detta kanske främst märk"bart inom flygplansindustrin där stor hållfasthet i kombination med minsta möjliga vikt är av fundamental betydelse, Ett konventionellt transportplan har en konstruktionsvikt kring 35 procent av totala startvikten, varför varje inbesparat kg här betyder lika mycket ökad nyttolast.
Även om början med de nya kompositionsmaterialen redan är gjord inom flygplansindustrin så förutspår bla tidskriften Dornier-post en mycket snabb acceptering av nya fiberarmerade plastmaterial — expoxy, fenol, polyamid och polyfenol hartser — på de flesta industriella gebit.
Även om plastfiberplastens genombrott är ett faktum inom otaliga fack är det i alla fall rätt allmänt känt att förväntningarna i många avseenden har ställts för högt och att materialet inte håller måttet i alla de tekniska produkter där det — ofta nog med en aning oförtänksam entusiasm — har tillskrivits alltför överlägsna egenskaper.
Kolfiber påminner om glasfiber men när kolfibrer bakas in i lämplig plast blir de fem gånger så styva som glas. Fibrerna är 100 ?/9 rent kol som genom invecklade värmeprocedurer fås fram ur lämpliga polyvinylmaterial. Fibrerna kan ges antingen maximal styvhet eller hållfasthet, men inte bägge egenskaperna samtidigt. För varje ändamål måste därför den lämpligaste kompromissen lirkas fram genom lämpliga procedurer. Tyvärr är exempelvis armeringsnät av kolfiber än så länge minst tre gånger så dyrt som samma matta i glasfiber. Just nu är tillverkningen rätt blygsam men i samma mån som industrins behov av kolfibrer ökar kan man säkert emotse en snabb prissänkning. Ju billigare materialet blir desto fler industrigrenar kommer med i bilden så att serieproduktionen ytterligare ökar med ännu lägre produktionskostnader som naturlig följd.
Forum 8/7 [EE |
I -—
Några tänkbara kolfiberplasttillämpningar inom småbåtsindustrin: A) Förstärkningar i havskryssare av glasfiberplast, B) och C) koltiberförstärkning av balkar o dyl, D) Förstärkningar i metalmaster; E) Bottenförstärkning i »offshore» sportbåtar.
Många lockande egenskaper
Utvecklingen av industriella kolfibrer startades för några år sedan av British Royal Aircraft Establishment och går nu raskt framåt tack vare flitigt beviljade brittiska tillverkningslicenser runt om i världen. Årsproduktionen är dock ännu inte större än några tiotal ton. Försäljningspriset rör sig om halftannat tusen mark per kilo och till och med mera, men väntas inom fem år dala ner till bara en tiondel av detta.
I USA har man visserligen investerat rätt stora summor i utforskningen av de ännu mer lovande, men också betydligt dyrare, borfibrerna. Trots detta skönjer man en tydligt ökad efterfrågan på kolfibrer eftersom priset är betydligt lägre och framställningstekniken mer utvecklad. Utom sina — i förhållande till vikten — anmärkningsvärda styvhets- och hållfasthetsegenskaper karakteriseras kolfibrerna dessutom av följande synnerligen välkomna egenskaper:
Mycket låg värmeexpansion
Hög vibrationsdämpningsfaktor
Stor motståndskraft mot höga temperaturer Kemisk indifferens
Låg friktionskoefficient
Stor både elektrisk och värmeledningsförmåga
Enligt Dornier-Post anses en inbesparing av drygt 2 ton av ett medelstort passagerarflygplans konstruktionsvikt vara ett uppnåeligt mål inom de närmaste fem åren. Vad detta innebär för driftekonomin behöver knappast framhållas. Tidskriften avslöjar vidare att Dornier-verken håller på med att utarbeta en hel flygplansvinge med kolfiberarmérad plast som huvudsakligt konstruktionsmaterial. Såväl ifråga om balkar och profiler som själva vingbeklädnaden. Enligt uppgift bör kolfibermattor inbakade i lämpliga epoxyharts ge materialet samma styvhet som den, i amerikanska överljudsflygplan använda, mer än stålstarka metallen titan, men med 30 9/0 högre draghållfasthet, 70 9/9 lägre specifik vikt och betydligt enklare sammanfognings- och formgivningsproblem.
Också motordelar
Lockande perspektiv erbjuder vidare propellrar med hög rotationshastighet, vinkeldrev och till och med interna motorkomponenter. Vevstakar av kolfiberarmerad plast skulle kunna tillverkas med samma hållfasthet som konventionella av me tall, men cirka 70 9/9 lättare. I dieselmotorer där kolvens vär meexpansion är ett svårt problem vore måhända kolvringar av detta moderna material en lyckad lösning. Wankelmotorn som fortfarande dras med vissa kolvtätningsproblem skulle troligen också kunna dra nytta av ett kompositmaterial av något slag.
I Storbritannien har till och med den blomstrande småbåtsindustrin fått ögonen öppnade för vilka möjligheter kolfiberplasten erbjuder i jämförelse med den just dominerande men i
Forum 8/7 flere avseenden otillfredsställande glasfiberplasten. Här är emellertid priset än så länge en bromsande faktor. Enligt prisuppgifter i »Motor Boat and Yachting» kostar exempelvis »kappseglingsmaskinen» 505:ans skrov omkring 750 mk i glasfiberarmerad plast, men hela 13 500 mk i kolfiberarmerad plast. Detta är onekligen ett högt pris för 30 2/9 viktbesparing, större formbeständighet och litet lägre friktionskoefficient. Men en del kappseglare räknar som känt inte på vad en uppenbar överlägsenhet på banan kostar. Bilden här invid visar några exempel på vad de brittiska småbåtstillverkarna just nu har blickarna riktade mot ifråga om ett. eventuellt utnyttjande av olfiberplastens fördelar.
Protesteknik
Materialets utomordentliga användningsmöjligheter på det irurgiskt-medicinska området illustreras kanske bäst av protestekniska exempel. Sålunda har Chailey Heritage Hospital i Sussex konstruerat bla ett protesharnesk för armlösa thalidomidskadade barn. Ett sådant harnesk behövs alltid för att ästa armproteserna vid och har hittills tillverkats av tunn specialstålplåt. I konventionellt utförande väger hela arrangemanget för en nioåring cirka 2 kg varav nästan 700 g ommer på kroppsplåtens del.
Ett motsvarande harnesk av kolfiberarmerad plast väger emelertid bara 200 g och emedan fibrerna bäddas in i fast men ändå fjädrande skumplast elimineras den besvärliga skavskyddande vaddering som är oundviklig vid användning av stålplåt.
Hållfasthetsprov visar att kolfiberharnesket vid belastning bibehåller sin form tills det bräcks sönder vid 32 kg påfrestning i den ogynnsammaste riktningen. Stålharnesket böjs däremot redan vid 10 kg belastning och deformeringen är vanligen så pass obetydlig att den inte observeras förrän plåten redan örorsakat tråkiga skavsår och andra olägenheter.
Brittiska National Research Development Corporation undersöker som bäst möjligheterna att göra också själva proteserna av kolfiberarmerad plast. Visserligen är råmaterialet avsevärt dyrare än stål men kräver å andra sidan bara en fjärdedel så mycket kvalificerad bearbetning som samma konstruktion i metall.
Redan nu saluförs i Storbritannien standardiserade kolfibermattor av 0,2 mm tjocklek och vävda av 20—25 mm långa och endast 0,008 mm tjocka kolfibertrådar. Vävnaderna levereras i två standardformat: 35 cm breda och maximalt 6 m långa samt 70 cm breda och 1,2 m långa. Sådana mattor lämpar sig för de mest olika plastarmeringsändamål och kostar i dag 1 100—1 500 mk/kg beroende på kolets grafithalt som påverkar materialets styvhet. Men eftersom en radikal prissänkning förutspås inom några år så lär det väl inte dröja alltför lörge innan också i vårt land saluförs småbåtar med den lockande etiketten »innehåller kolfiberarmerad plast» påklistrad.
31