Den Pågående Revolutionen I Materialens Värld

För varje mekaniskt projekt eller byggprojekt har valet av material alltid inneburit kompromisser. Med så många variabler – egenskaper, kostnader, hållbarhet – kan det aldrig finnas ett perfekt material för alla jobb. Men fortfarande är ingenjörer och forskare på jakt efter det.

Att hitta det perfekta materialet för en specifik industriell konstruktionstillämpning kan vara en komplex process. Vare sig man förlitar sig på s.k. Ashby-diagram, multikriterieanalyser eller till och med artificiell intelligens är den röda tråden i beslutsprocessen att balansera syfte och begränsningar.

De senaste årtiondena har vi sett en explosion i variationen av material som är tillgängliga för ingenjörerna. Det har inte ruckat på det grundläggande behovet att göra kompromisser, men det har möjligen medfört en hårfin förändring i denna balans där syftet har blivit viktigare än begränsningarna.

Eller för att uttrycka det annorlunda, det är mer sannolikt att du väljer utifrån vad du vill ha i stället för vad du är beredd att avstå från.

Nedan undersöker vi hur innovationer i materialdesign fortsätter att utöka de alternativ och möjligheter som står öppna för teknikerna.

Fiberarmerade kompositer

När man talar om nya material i nästan alla branscher – flyg, transport, energi, byggande, maskintillverkning och många andra – är det oundvikligt att börja med kompositer. Det är snarare en kategori än ett material, eftersom en komposit kan vara en godtycklig kombination av två eller flera material som resulterar i andra egenskaper än de ingående komponenterna. Men i allmänhet avser kompositer i de flesta branscher en kombination av polymerer och armeringsmaterial.

Som koncept är detta slags komposit inte nytt. Fiberarmerade kompositer med glasfibrer som förstärkning av omättade polyesterhartser uppfanns på 1930-talet. Under de följande årtiondena medförde innovationer som kolfibrer och användning av epoxihartser att denna teknik började användas i militära och marina tillämpningar. Men det var på 1970-talet som de verkligen slog igenom.

Med stigande oljepriser blev de kolfiberförstärkta polymererna (CFRP) med sitt höga förhållande mellan styrka och vikt extremt attraktiva för flygindustrin. Det blev ekonomiskt tvingande att minska vikten på flygplanen, vilket satte tryck på utvecklingen och kommersialiseringen av CFRP.

Många fördelaktiga egenskaper

Det höga förhållandet mellan styrka och vikt är fortfarande den mest unika egenskapen för dessa kompositer, men de kan besitta många fler värdefulla egenskaper. Dessa varierar beroende på vilka polymerer som används, men som regel har CFRP hög termisk och elektrisk ledningsförmåga, brottgräns och styvhet. Olika armeringsmaterial förändrar dessa egenskaper dramatiskt. Om till exempel en aramid (en stark syntetisk fiber) används i stället för kol blir den resulterande kompositen böjligare, mer hållbar och icke-ledande.

Mångfalden av egenskaper förklarar varför kompositer fortsätter att användas i så många industrier och tillämpningar. Senare tids innovationer har medfört att CFRP används som kablar i snedkabelbroar och, med tanke på deras dämpande egenskaper, för snabbrörliga komponenter i industrimaskiner.

Det främsta hindret för att använda kompositer i ännu större utsträckning har varit produktionskostnaden. Dessutom har användning av flera material och utläggning av armeringsfibrer i olika matrismönster ökat den strukturella komplexiteten och gjort det mer utmanande att förutse det mekaniska beteende och slitaget. Att skapa säkra och robusta förband har alltså varit en utmaning i många industrier, vilket har lett fram till utvecklingen av avancerade skruvtekniker som Nord-Locks X-serie brickor. Dessa utnyttjar en fjädringsmekanism som kompenserar för det slack som kan uppstå när två polymerer skruvas samman.

Lovande biobaserade polymerer och kompositer

De flesta polymerer som används i industriella tillämpningar härstammar fortfarande från fossila bränslen, vilket väcker frågor om hållbarhetsutveckling. På senare år har intresset för biobaserade polymerer, som använder förnybara resurser som råvara, ökat snabbt.

Peter Mannberg, enhetschef på det oberoende och statsägda RISE – Research Institutes of Sweden – arbetar med forskning om polymerers och kompositers miljöpåverkan.

”Vårt mål är att hitta hållbara lösningar på lättviktiga applikationer”, säger han. ”De mest använda kompositmaterialen har sitt ursprung i fossil olja, både kolfibrer och plaster. Vi vill ersätta dem med förnybara resurser. Det innebär att använda de råvaror vi har – de tillgängliga byggstenarna – för att skapa nya material som ersätter de som påverkar miljön.”

Mannbergs team har tittat på restprodukter från skogs- och lantbruk som källmaterial, men det är särskilt en råvara som har fångat hans intresse. ”Rörflen växer på kärrmarker”, säger han, ”så den kan odlas utan man använder land som annars skulle användas för livsmedelsproduktion. Det är viktigt. Vi kan använda det gräset på många olika sätt för att skapa kompositer.”

Det enklaste är att använda stjälkarna och det vedliknande materialet som armerings[1]fibrer. De resulterande kompositerna har dock relativt få användningsområden och är endast tåliga nog för inomhusbruk. En mer ambitiös metod är att använda gräset för att skapa kolfibrer.

”På RISE har vi under många år undersökt om man kan använda lignin för att skapa fibrer som sedan kan karboniseras”, förklarar Mannberg. ”Det kan man också göra med cellulosa och hemicellulosa, två andra grundläggande komponenter i biomassa. Ligninet från gräset används för att skapa fibrer som sedan karboniseras i en ganska komplicerad process.”

”Resultatet är kolfibrer som är de starkaste fibrer vi har för närvarande, och som kan användas för kompositer i avancerade tillämpningar.”

Ersätter fossilbaserade material

Det gäller naturligtvis bara en av komponenterna i en kolfiberkomposit. Mannberg är ändå optimistisk och tror att rörflen också kan användas för att producera polymerer.

”Lågkvalitativa plaster framställda av biomaterial finns redan på marknaden i till exempel plastpåsar”, säger Mannberg. ”Vi undersöker olika sätt att skapa biobaserade plaster som kan användas i bil- och flygindustrin och ersätta epoxi och härdplast som används där. Det innebär att ligninet måste brytas ned på molekylnivå och sedan byggas upp för att skapa någonting som är identiskt med de material som idag härrör från olja.”

Även om vissa företag experimenterar med att använda lignin för att skapa kolfibrer, är mycket av det som Mannberg beskriver fortfarande på forskningsstadiet.

”Allt detta är sådant vi kan utföra på labbnivå”, förklarar han. ”Idag är det en dyrare process att utvinna molekyler och skapa plaster och fibrer än att tillverka dem av olja. Det skulle krävas en kombination av lagstiftning och påtryckningar från konsumenterna för att komma till ett läge där dessa produkter skulle användas kommersiellt.”

Skräddarsydda lösningar

Som ett institut inriktat på tillämpad forskning är RISE också involverat i projekt för att göra det gångbart att arbeta med material som under många år har setts som framtidens konstruk[1]tionsmaterial – nanokompositer.

Nanokomposit är också en term som kan gälla för många olika material. Det kan beskriva ett godtyckligt komposit[1]material där nanopartiklar förstärker en komponentdel. Nanopartiklar är partiklar som har minst en dimension mindre än 100 nanometer (nm). Att introducera partiklar av den storleken kan ändra ett materials fysikaliska egenskaper radikalt.

Guan Gong är seniorforskare på RISE och arbetar med nanomaterial för att ändra vissa egenskaper hos kompositmaterial, så att de passar specifika industriella krav.

”Vi är intresserade av att använda nanomaterial för att förbättra eller förändra olika egenskaper till det som slutanvändaren önskar.”

”Kunderna kan till exempel komma till oss och säga att de vill ha bättre elektrisk eller termisk ledningsförmåga, eller bara mycket bättre termisk ledningsförmåga. Eller också ska kompositkomponenten ha goda barriäregenskaper mot syre eller någonting annat. Baserat på dessa krav screenar vi nanomaterial för att hitta de som har dessa speciella egenskaper och sedan skapar vi och verifierar en lösning. Vår generella metod är att först fråga vad som krävs. Vilken är den mest kritiska egenskapen som kunden efterfrågar?”

En krävande och utmanande process

Det är ingen överraskning att det inte är så enkelt som att titta i några tabeller. Med den stora variationen av fysikaliska egenskaper, plus faktorer som kostnad, energieffektivitet och enkelhet att producera, är det alltid komplicerat att hitta rätt kombination av nanomaterial, kompositer och processer. Gong förklarar att det inte är det enda hindret för att nanomodifierade kompositer ska bli allmänt använda:

”De flesta nanomaterial som kolnanorör och grafen är dyra. Sättet att komma runt det är att använda väldigt små mängder nanomaterial, men eftersom vi inte klarar att uppnå en god dispersion måste man använda mer än vad som egentligen är nödvändigt.”

Det är också viktigt att följa strikta säkerhetsföreskrifter när nanomaterial skapas eller hanteras. Annars kan de utgöra en risk för hälsa och miljö.

Trots det har Gongs enhet samarbetat framgångsrikt med många privata  branschpartner inom detta område, bland annat företag inom flyg-, sjöfarts-, bil-, skogs- och energisektorn.