I fiberkompositen har de enskilda fibrerna den egentliga lastupptagande uppgiften.
Eftersom fibrerna inte kan överföra laster mellan varandra behövs en kontinuerlig fas för detta. I fiberkompositen är denna kontinuerliga fas matrisen, vilken har
huvuduppgifterna att
• Verka som en väg för kraftfördelning mellan enskilda fibrer
• Hålla fiberförstärkningen på plats i kompositen
• Skydda fibrerna från skador genom oförskiktigt handhavande eller ogynnsamma miljöförhållanden
I fiberkompositer med enkelriktade fibrer har matrisen en mycket liten inverkan på draghållfastheten. Däremot har valet av matrismaterial en huvudsaklig betydelse för övriga mekaniska egenskaper, såsom exempelvis transversell hållfasthet och
elasticitetsmodul, egenskaper vid kompression samt egenskaper vid skjuvning.
Matrismaterialets produktionsmässiga egenskaper är också av stor betydelse vid valet av matris. Detta kan vara egenskaper som smält- eller härdtemperaturer eller reaktivitet med fibermaterialet vilket kan påverka fiberns struktur och i sin tur mekaniska egenskaper.
Viktig faktor är också matrisens viskositet då utfyllnaden, vätningen, mellan fibrerna är av mycket stor vikt för att säkerställa spänningsfördelningen mellan fibrerna i
kompositen. Vanliga val av matrismaterial är olika typer av polymerer, keramiska material eller metaller. Antalet förkommande matrismaterial är många, långt fler än de som redovisas i detta kapitel där fokus ligger på de matrismaterial som är mest frekvent förekommande i kommersiellt tillgängliga kompositmaterial eller är särskilt intressant ur ren materialsynpunkt. I dagens avancerade fiberkompositer är den vanligaste
matristypen härdplast, vilken detta avsnitt fokuseras mot att behandla.
3.3.1 Polymera matriser
Polymerer, eller plaster som är en vanligare benämning i vardagliga sammanhang, är det vanligast använda matrismaterialet i fiberkompositer. Dessa matrisers fördelar är en låg kostnad, goda produktionsmässiga egenskaper, bra kemisk beständighet och låg vikt.
Nackdelar kan vara relativt dålig hållfasthet och elasticitetsmodul och i vissa fall dålig beständighet mot värme och ultraviolett ljus. De polymera matriserna kan enligt beteende och strukturella uppbyggnad delas upp i två olika grupper: härdplaster och termoplaster. Den påtagligt största skillnaden mellan de två plasterna är att termoplasten kan smältas ned och omformas medan härdplastens struktur förstörs vid upphettning över en viss temperatur. Egenskaper för några olika typer av polymera matriser kan studeras i Tabell 3.4.
Tabell 3.4 Egenskaper för olika typer av polymera matriser, Hull (1996), Carolin (2001) samt Hejll & Norling (2001).
Matristyp Smälttemperatur
Härdplaster
De vanligast använda härdplasterna i fiberkompositer är polyester, vinylester och epoxi.
Dessa har ett innehåll som spänner över en stor mängd med olika kemikalier vilket ger en stor flexibilitet vad gäller mekaniska och fysiska egenskaper. Härdplasterna levereras vanligtvis i form av en flytande förpolymer, harts, vilken sedermera konverteras till fast form med hjälp av tillsättande av en härdare och ibland även en påföljande
temperaturbehandling. Härdandet genomförs dock vanligen i rumstemperatur.
En slutbehandling i en relativt hög temperatur ges ofta för att minimera risken för ytterligare härdning i matrismaterialet. En ytterligare härdning skulle ge förändrade egenskaper i form av initiella spänningar i kompositen samt förändringar i
fiberkompositens beteende vid belastning under sin tjänst som förstärkande material.
Härdplaster är i grunden ett material med ett sprött beteende, vilket dock varierar betydligt mellan de olika härdplasterna.
Härdplasternas fördelar är en god kemikalieresistens, bra värmebeständighet och goda mekaniska egenskaper. Dessutom ger dess höga viskositet i stadiet innan härdningen påbörjas en bra vätning av fibrerna i kompositen.
Polyester
Polyesterhartser är en omättad polyester löst i en monomer, vanligen styren. Dessa polyestrar består av kemiska grupper med ett antal dubbelbundna kolatomer. Styrenet verkar som en nätbildare och sammanlänkar närliggande polyesterkedjor till en
nätformad förpolymer. Härdningen tar sedan vid i rumstemperatur eller med en förhöjd temperatur.
Polyesterplast är en flexibel polymer med stora möjligheter till tillämpningsstyrda egenskaper. Kombinerat med polyesterns låga kostnad och för ändamålet tillräcklig miljömässig motståndskraft, samt adekvata mekaniska egenskaper, har polyestern blivit den volymmässigt mest använda polymeren inom industriella och marina tillämpningar.
Polyestern verkar vanligtvis i fiberkompositer förstärkt med glasfiber.
Vinylester
Vinylesterplaster har en kemisk struktur liknande epoxipolymeren samtidigt som den även är mycket lik polyesterplast, då båda är omättade oligomerer lösta i styren.
Däremot finns stora skillnader i oligomerens uppbyggnad som skiljer polyester och vinylester åt. Vinylesterplasten är genom sin avsaknad av svaga kemiska bindningar motståndskraftig mot kemisk nedbrytning. Detta är en av de största egenskapliga skillnaderna mellan polyester och vinylester. Dessutom har vinylesterplasten en högre brottöjning än en typisk polyesterplast. Detta ger vinylesterplasten ett övertag gentemot polyesterplasten, vad gäller mekaniska egenskaper, motstånd mot stötar och utmattning, Mallick (1997). Vinylesterplaster har även en god temperaturbeständighet, bra elektriska isoleringsegenskaper och vidhäftning mot andra material, komposithandboken (1988).
Nackdelar kan vara en relativt stor krympning av matrismaterialet under härdning, ibland uppemot 8 %, vilket kan ge problem med härdsprickor.
Vinylester är en polymer med goda utvecklingsmöjligheter då den kemiska basen är lätt att manipulera vilket ger nya egenskaper hos plasten. Exempel på detta är utveckling av vinylester med brandhämmande egenskaper eller med tillsatser som ger en polymer med extra hög brottöjning på uppemot 10-15 %, Mallick (1997).
Epoxi
Epoxiplasterna är baserade på en kemisk ringformad grupp, epoxigruppen, bestående av syre och två kolatomer. Med reaktioner med aminer, alifater, anhydrider eller en mängd andra reaktanter, bildas grundmolekylen i epoxihartsen. Trots mångfalden av möjliga basreaktanter, är majoriteten av de kommersiellt tillgängliga epoxiplasterna grundade på någon av de tre olika molekylerna med beteckningarna TGMDA, DGEBA eller fenolformaldehyd (novolack). Beroende på basmolekylen får
epoxipolyestern olika egenskaper där exempelvis TGMDA oftast ger en styv epoxiplast och DGEBA en plast med hög brottöjning.
Gemensamt för epoxiplasterna kan dock sägas att de generellt har bättre brottmekaniska egenskaper än vinylestrar eller polyestrar. Detta kombineras med en god
produktionsmässig flexibilitet gällande polymerens egenskaper samt mycket bra
utmattningsegenskaper. Förenat med en liten krympning vid härdning, endast runt 3 %, och bra kemisk resistans, har epoxiplasten en ledande position i tillämpningar med extrema krav. Ett exempel på detta är dess dominans inom rymd- och flygindustriellt nyttjade kompositer, Mallick (1997).
Termoplaster
Olikt härdplasterna, har termoplasterna inga mellanmolekylära bindningar.
Termoplasterna får istället sin stryka och styvhet från molekylernas inbördes egenskaper samt deras mycket höga molekylvikt. Många olika typer av termoplaster finns på marknaden, men de vanligaste som matrismaterial i fiberkompositer är
polyetenetherketon (PEEK), nylon eller polyfenylsulfid (PPS). Gemensamt för de alla är att under tillförande av värme smälter polymeren till en flytande fas, ofta med en mycket låg viskositet. Inga kemiska reaktioner förekommer vilket innebär att processen är helt reversibel. Dessutom har alla termoplaster ett mycket segt brottbeteende med stora deformationer innan brott som följd. Under en konstant last uppvisar också termoplasterna en töjningsökning över tiden (krypning), vilket kan medföra omfördelningar av last mellan fibrer och matris över fiberkompositens livslängd.
Termoplaster är vanligast som matrismaterial i fiberkompositer med diskontinuerliga korta fibrer. I tillämpningar med kontinuerliga fibrer är användandet för närvarande relativt lågt. Detta har sin grund i att den smälta termoplasten har, som nämnts ovan, en mycket låg viskositet, vilket genererar problem med att uppnå en god utfyllnad mellan de fina fibrerna i den blivande kompositen. Processer som minskar detta problem
existerar och bygger på matrisinjektering under tryck eller med införandet av tunna termoplastark mellan fibrerna. Termoplasternas stora fördelar som matrismaterial är det vanligtvis enkla handhavande i produktionssammanhang, då den är lätt att smälta och omforma. Dessutom är materialet återvinningsbart då smältnings- och
härdningsprocessen är reversibel. Nackdelar kan vara problemet med genomvätning av fiberförstärkningen vid komposittillverkningen. Dessutom har termoplasterna sämre skjuv- och tryckhållfasthet än härdplasterna, Mallick (1997).
3.3.2 Metalliska matriser
Metallerna, med sin goda temperaturresistens och bra mekaniska egenskaper, erbjuder flera fördelar som matrismaterial gentemot polymererna. I tillämpningar där höga temperaturer och svåra miljömässiga förhållanden råder, är en komposit med en matris av metall vanligt förkommande. Dessutom har metallerna en fördel i innehavet av vanligtvis isotropa egenskaper. I andra sammanhang när dessa krav inte är de centrala blir metallernas många nackdelar ofta vägledande mot ett annat val av matrismaterial.
Metallernas nackdelar är dess höga densitet, krav på höga temperaturer i tillverkningsprocesserna, korrosionssvaghet och i vissa fall reaktivitet med fiberförstärkningen.
Vanliga metaller är titanium eller aluminium, men även andra typer används,
exempelvis magnesium. Olika legeringar är dock den förhärskande formen av metaller i denna typ av fiberkompositer.
3.3.3 Keramiska matriser
Keramer kännetecknas av att de tål höga temperaturer och svåra kemiska miljöer samt att de har relativt låg densitet. Vid framställning av keramer utgår man från råmaterial i pulverform, vilka smälts eller där ingående partiklar via fysikaliska processer och
kemiska reaktioner binds till varandra vid höga temperaturer (sintring) eller via kemiska reaktioner vid lägre temperaturer. Detta svarar mot tre huvudområden som kan kallas för smältbaserade keramer, sintrade keramer samt cementbaserade keramer. I
fiberkompositsammanhang delas dock vanligtvis keramerna in i grupper om exempelvis glas-, cement- eller betongkeramer. Keramernas stora fördelar som matrismaterial är dess förmåga att bibehålla stryka vid höga temperaturer, bra korrosionsbeständighet samt ha en relativt låg densitet. Nackdelar är att de är mycket spröda material.