Den Løbende Udvikling I Materialernes Verden

Materialevalg i forbindelse med maskin- eller byggetekniske projekter har altid krævet kompromiser. Med så mange variabler – snesevis af fysiske egenskaber, pris, bæredygtighed – er det aldrig rigtig muligt at finde det perfekte materiale til en opgave. Alligevel opgiver teknikere og forskere ikke jagten.

At finde det perfekte materiale til et specifikt industri design kan være en kompleks proces. Uanset om du benytter såkaldte Ashbydiagrammer, multikriterieanalyser eller sågar kunstig intelligens, er det et gennemgående tema i beslutningsprocessen at finde en balance mellem målsætninger og begrænsninger.

I de senere årtier har der været en eksplosion i det udvalg af materialer, ingeniørerne har til rådighed. Det har ikke ændret det grundlæggende behov for kompromiser, men det har måske nok medført en mere subtil ændring i denne balance, hvor målsætninger er blevet vigtigere end begrænsninger.

Sagt på en anden måde: Du vælger i højere grad materialer ud fra dine ønsker, i stedet for efter hvad du er villig til at give afkald på.

Nedenfor undersøger vi, hvordan innovation inden for materialeudvikling fortsat udvider mulighederne for ingeniører.

Fiberarmerede kompositter

Når man tænker på nye materialer i næsten enhver branche – luftfart, transport, energi, byggeri, maskinkonstruktion og mange andre – starter man uundgåeligt med kompositter. Det er nærmere en kategori end et enkelt materiale, fordi en komposit kan være en hvilken som helst kombination af to eller flere materialer, der resulterer i andre egenskaber end de enkelte komponenters. I de fleste brancher, betegner “komposit” dog en kombination af polymerer og armeringsstoffer.

Som koncept er denne type komposit ikke ny. Fiberarmerede kompositter – hvor glasfibre bruges til at forstærke umættede polyesterresiner – blev opfundet i 1930’erne. I løbet af de efterfølgende årtier førte nyskabelser såsom kulfibre og brug af epoxyplast til, at denne teknologi blev anvendt inden for militæret og søfarten. Men det var først i 1970’erne, at det virkelige gennembrud skete.

Med stigende oliepriser blev kulfiber[1]armerede polymerer (CFRP’er, carbon fiber reinforced polymers) ekstremt interessante for luftfartsindustrien. Det blev økonomisk attraktivt at reducere vægten af fly, og det satte skub i udviklingen og kommercialiseringen af CFRP’er.

Mange fordelagtige egenskaber

Det høje styrke/vægt-forhold er uden tvivl stadig den mest fremtrædende kvalitet ved disse kompositter, men de kan have mange andre værdifulde egenskaber. Disse varierer, alt efter hvilke polymerer der anvendes, men generelt har CFRP’er høj termisk og elektrisk ledningsevne, korrosionsbestandighed, trækstyrke og stivhed. Ved brug af forskellige armeringsmaterialer ændres disse kvaliteter betydeligt. Hvis man f.eks. bruge en aramid (en stærk syntetisk fiber) i stedet for kulstof, bliver kompositten mere fleksibel, holdbar og ikke-ledende.

Denne mangfoldighed af egenskaber er med til at forklare, hvorfor kompositter fortsat benyttes i så mange brancher og anvendelseområder. Nyere innovation har ført til, at CFRP’er anvendes til kabler på skråstagsbroer og, i kraft af deres dæmpende egenskaber, til komponenter der bevæger sig hurtigt, i industrimaskiner.

Den primære forhindring for at anvende kompositter endnu bredere har været produktionsomkostningerne. Desuden øger det den strukturelle kompleksitet at anvende flere materialer og anbringe armeringsfibre i forskellige matricer, og det kan gøre det vanskeligere at forudse mekanisk adfærd og slitage. Det har også været en udfordring i mange brancher at udarbejde sikre og robuste samlinger, hvilket har ført til udviklingen af avancerede boltningsteknologier såsom Nord-Lock X-series skiver. De benytter en fjedermekanisme for at kompensere for det tab, der kan opstå, når f.eks. to polymerer boltes sammen.

Biobaserede polymerer og kompositter er lovende

De fleste af de polymerer, der bruges til industrielle formål, stammer stadig fra fossile brændstoffer, hvilket giver anledning til spørgsmål om bæredygtighed. I de senere år er interessen for biobaserede polymerer, der benytter vedvarende ressourcer som råmateriale, vokset hastigt.

Peter Mannberg, unit manager hos det uafhængige og statsejede RISE — Research Institutes of Sweden — arbejder med forskning, der tackler polymerer og kompositters miljøpåvirkning.

“Vores mål er at finde løsninger til letvægtsapplikationer,” siger han. “De mest anvendte kompositmaterialer har deres oprindelse i fossil olie, både kulfibre og plast. Dem vil vi gerne udskifte med vedvarende ressourcer. Det betyder, at vi skal bruge de råmaterialer, vi har til rådighed, til at bygge nye materialer, som kan erstatte de materialer, der skader miljøet.”

Mannbergs team har set på restprodukter fra skov- og agerbrug som kildematerialer, men der er særligt ét råmateriale, der har fanget hans interesse. “Rørgræs vokser i sumpområder,” siger han, “så det kan dyrkes uden at optage jord, der ellers kunne bruges til at dyrke fødevarer. Det er vigtigt. Vi kan bruge dette græs på flere forskellige måder til at fremstille kompositter.”

Den enkleste er at bruge stilkene og det træagtige materiale som armeringsfiber. De kompositter, der kommer ud af det, har dog relativt begrænsede anvendelsesmuligheder og er kun robuste nok til indendørs brug. Med en mere ambitiøs metode bruges græsset til at fremstille kulfibre.

“I mange år har vi i RISE haft kig på at bruge lignin til at fremstille en fiber, som vi derefter kan karbonisere,” forklarer Mannberg. “Det kan man også gøre med cellulose og hemicellulose – de to andre grundkomponenter i biomasse. Ligninet fra græsset bruges til at fremstille fibre, som derefter karboniseres i en temmelig kompliceret proces.”

“Resultatet er kulfibre, som er de stærkeste fibre, vi har i øjeblikket, og som kan bruges til kompositter inden for anvendelseområder på højt niveau.”

Erstatning af fossilbaserede materialer

Dette udgør kun én af komponenterne i en kulfiberkomposit. Mannberg tror dog på, at rørgræs også kan bruges til fremstilling af polymerer.

“Plast i lav kvalitet, der fremstilles af biomaterialer, fås allerede på markedet – f.eks. i plastikposer,” siger Mannberg. “Vi prøver at finde måder at fremstille biobaseret plast på, der kan anvendes i bil[1]og luftfartsindustrien og erstatte de epoxier og termoplaster, man bruger dér. Det indebærer at nedbryde lignin til molekylært niveau og bygge det op for at skabe noget, der er identisk med de materialer, der her og nu kommer fra olie.”

Selvom nogle virksomheder eksperimenterer med brug af lignin til fremstilling af kulfibre, er meget af det arbejde, Mannberg beskriver, stadig på forskningsstadiet.

“Der er tale om ting, vi kan gøre i et laboratorium,” siger han. “I øjeblikket er det en dyrere proces at udvinde molekylerne og fremstille plasten og fibrene end at fremstille dem af olie. Så det vil kræve en kombination af lovgivning og opbakning fra forbrugerne at nå frem til, at disse produkter anvendes kommercielt.”

Skræddersyede løsninger

Som et institut med fokus på anvendt forskning er RISE også involveret i projekter, som gør det mere praktisk at arbejde med materialer, der i mange år har været betragtet som fremtiden inden for konstruktionsmaterialer – nanokompositter.

Nanokompositter er endnu et ord, der kan omfatte en lang række materialer. Det kan bruges om ethvert kompositmateriale, hvor nanopartikler forbedrer en komponent. Disse partikler har mindst én dimension, der er mindre end 100 nanometer (nm). Ved at indarbejde partikler af den størrelse kan man ændre et materiales fysiske egenskaber radikalt.

Guan Gong er en seniorforsker hos RISE, hvis arbejde omfatter brug af nanomaterialer til at ændre bestemte egenskaber i kompositmaterialer, så de passer til specifikke industrielle krav.

“Vi er interesseret i at bruge nanomaterialer til at forbedre eller ændre forskellige egenskaber i henhold til slutbrugernes ønsker,” forklarer hun.

“Et eksempel kunne være en kunde, der kommer til os og siger, ‘Jeg vil have forbedret elektrisk og termisk ledningsevne, eller jeg vil bare have bedre termisk ledningsevne.’ Eller, ‘Jeg skal bruge en kompositkomponent med gode bestandighedsegenskaber over for ilt eller noget andet.’ Ud fra disse behov screener vi nanomaterialer for at finde dem, der har de pågældende kvaliteter, og så udarbejder og verificerer vi en løsning. Vores generelle metodologi er at starte med spørgsmålet, hvad er der brug for? Hvad er den mest kritiske kvalitet, kunden er på udkig efter?”

En krævende og udfordrende proces

Ikke overraskende er der en del mere i det end bare at slå op i nogle tabeller. På grund af de mange fysiske attributter, plus faktorer som pris, energieffektivitet og produktionens sværhedsgrad, er det altid kompliceret at finde den rigtige kombination af nanomaterialer, kompositter og processer. Gong forklarer, at det ikke er den eneste forhindring for, at nanomodificerede kompositter bliver hverdagskost:

“Den primære tekniske forhindring er relateret til spredning. For at omdanne nanomaterialernes enestående egenskaber til kompositmaterialer skal det lykkes at sprede partiklerne i kompositten,” siger Gong. “Man kan bruge forskellige teknikker, men det er stadig meget vanskeligt at få den spredningsstatus, man vil have, især når der anvendes fiberarmering. Industriel implementering af nanomodificerede kompositter er ikke robust endnu.

“De fleste af nanomaterialerne, f.eks. kulstofnanorør og grafén, er dyre. Det kan man imødegå ved at bruge meget små mængder nanomaterialer, men fordi vi ikke kan opnå en god spredning, skal man bruge mere, end der egentlig er nødvendigt.”

Desuden er det helt afgørende at følge strenge sikkerhedsregler ved fremstilling og håndtering af nanomateriale. Ellers kan der være risici for menneskers helbred og for miljøet.

Ikke desto mindre har Gongs afdeling haft et vellykket samarbejde på dette område med mange store partnere fra den private sektor, herunder virksomheder inden for luftfarts-, søfarts-, bil-, skovbrugs- og energiindustrien.