Siden de historiske perioder Stenalderen, Bronzealderen og Jernalderen har udviklingen af materialer hjulpet med at udvide grænserne for menneskets bestræbelser og succes. I det 21. århundrede rykker krav fra industrier som aerospace og bilindustri fronterne for materialegegenskaber til mere ekstreme niveauer.
Det er menneskets natur altid at se frem mod, hvad vi ville ønske, der var muligt. Bilindustrien er et førsteklasses eksempel på dette. Da Ford offentliggjorde en ønskeliste over materialer til fremtidens biler, var der nogle muligvis livsreddende materialer på listen. Professor Pim van der Jagt, Executive Technical Leader af Fords forskning og avanceret engineering, opførte punkter som en ny type stål, der er tre gange stærkere end den nuværende stål, plastikskum der kan stabilisere strukturer under bilulykker og nano-fyldkompositmaterialer, der radikalt reducerer vægten samtidig med at den øger styrken. (Kilde: http://articles.sae.org/12297/)
I moderne tid ser aerospace-industrien også fremad mod sejere, lettere og mere varmebestandige materialer, der kan reducere emissioner, nedbringe brændstofomkostninger og muliggøre højere hastigheder. Indtil nu har kompositmaterialer været det materiale, man kunne bruge i luftfartsindustrien. I henhold til Dr. Eleanor Merson, specialist inden for forskning i kompositmaterialer, “For tredive år siden blev fem til seks procent af en flyvemaskine fremstillet af kompositmaterialer; nu fremstilles en kommerciel flyvemaskine som Dreamlineren, af omkring 50 % kompositmateriale.”
Selv om de kun vejer en femtedel af stål, er kulfiber-kompositmaterialer stærkere. Dreamlineren har for eksempel kulfiber-kompositmaterialer i vinger, hale, døre, fuselage og interiør, hvilket gør den til en lettere flyvemaskine. Når det gælder fly, tæller hvert kilo. Eksperter skønner, at en reduktion af en kommerciel flyvers vægt med et kg (2.2 pounds) kan reducere driftsomkostningerne med cirka 2,000 til 3,000 euro pr. år.
En Lamborghini pakket med kompositmaterialer
Kompositmaterialer anvendes i stigende omfang i biler, vindmøllevinger og andre produkter. For eksempel er BMW’s elektriske i3 i stort omfang fremstillet af kompositmaterialer. BMW siger, at den lavere vægt hjælper bilen til at køre op til 160 kilometer på en enkelt opladning. Lamborghinis heftigt udseende Veneno Roadster er pakket med vægtreducerende kompositdele, der muliggør en acceleration fra 0 til 100 km/timen på 2.9 sekunder. Kompositmaterialer er nu billigere at producere, og flere virksomheder fremstiller dem, men produktionen af kvalitetskompositmaterialer kræver stadig høje temperaturer, et ekstremt rent miljø og en arbejdsintensiv proces. Og bearbejdningen af disse finkornede kompositmaterialer er en endnu større udfordring.
“Spåntagning, og især boring i kompositmaterialer, er en alvorlig udfordring,” siger Merson, som forsker i kompositmaterialer for Sandvik Coromant. En flyver har titusindvis af huller, og materialet er meget abrasivt. kulfibre slider borene hurtigt.”
I fremtiden er det sandsynligt, at kompositmaterialer vil blive styrket yderligere med fibre, der er udviklet på nanoskala-niveau. Det forventes også, at videnskabsfolk vil kunne skabe næsten perfekte løsninger på atomniveau. Specialister i den tyske kemiske virksomhed Altana AG, siger, at bittesmå kulfiber-nanorør kan fremstilles 400 gange stærkere end stål eller aluminium og 20 gange stærkere end konventionelle kulstoffibre.
Graphene i smartphones
Materialer som graphene og quasikrystaller, som udløste Nobelpriser til opdagerne af dem, rummer endnu større potentiale om at være seje materialer og kan revolutionere industrielt design fuldstændigt. Men udbredte, industrielle applikationer forventes ikke i lang tid.
Sidste år indlagde en kinesisk virksomhed korn af graphene i deres mobiltelefoner for at forbedre ledningsevnen. Flager af quasikrystaller er blevet støbt ind i stegepander og kirurgiske metalinstrumenter for at øge holdbarheden. Mens ingen væsentlige industrielle gennembrud er forestående, foretages der i øjeblikket kraftige investeringer i graphene-forskning. Graphene er 200 gange stærkere end stål og det tyndeste materiale på jorden (1 million gange tyndere end et menneskehår). Samtidig fokuserer forskere i virksomheder og på universiteter på at forbedre kendte materialer og teknikker.
Aluminiumlegeringer med lav vægt har nu erstattet højstyrkestål i kofangersystemer, komponenter til sprængringe og kollisionsbjælker. I flymotorer kan superhårde legeringer, der er modstandsdygtige over for ekstreme temperaturer, hjælpe med at forbedre energikonverteringen og reducere brændstofudgifterne.
Belægninger hårdere end stål
Physical vapour deposition (PVD) og chemical vapour deposition (CVD) er processer til belægning af genstande med en ekstremt tynd men hård og varmebestandig film. Teknikkerne begyndte at blive udbredt i 1980´erne og bruges stadigvæk til mekaniske, optiske og elektroniske anordninger.
Sandvik Coromant bruger disse metoder til at hærde overfladen på sine skær. Kernen i skæret er fremstillet af hårdmetal, der primært består af tungstenkarbid og kobolt.
“Påfør et 2- til 10 mikrometer tykt lag af PVD og skærets levetid øges med en faktor 100,” siger Dr. Mats Ahlgren, ekspert i materialefysik og leder af PVD-afdelingen hos Sandvik Coromant. Ikke blot kan kunderne bruge skærene i meget længere tid, de kan også øge deres produktivitet ved at arbejder med skærene ved meget højere hastigheder og tilspændinger.”
Deres aktuelle forskning har fokus på at fremstille belægningen endnu sejere, så den kan opfylde kravet om holdbare materialer.
I de senere år har vi udviklet vores evne til at kontrollere processen med at fremstille nye belægninger,” siger Ahlgren. Vi kan se strukturen i mikroskoper, bogstaveligt talt ned til atomniveau; det hjælper os med at analysere nye løsninger, før vi fører dem ud i livet.”
I 2013 tog Sandvik Coromant patent på sin CVD-belægning Inveio™. Med krystaller fremstillet så de pegede i samme retning var Inveio et spring fremad mht. holdbarhed og hårdhed.
Med brugen af sejere materialer er der ikke så stort et behov for at bruge en stor mængde robuste komponenter i en enkelt struktur. Designere bliver særdeles selektive når de vælger materialer til forskellige dele til en bil eller et fly. Nogle maskindele behøver ikke at være så stærke. Det er filosofien for Ian Scoley, tidligere chef for industrielt design hos Airbus, hvor han havde fokus på kabinedesign. Scoley, der nu er chef for industrielt design hos C&D Zodiac, siger, at han henter inspiration fra fugleknogler. De er stærke der, hvor der er brug for det, men de er lette og åbne, hvor der er brug for fleksibilitet.”
Overvældende genbrug
Mens fly og biler bruger mindre energi og producerer mindre udstødning ved hjælp af nye materialer og designs, bliver genanvendelighed mere og mere vigtig. Mange kompositmaterialer fremstilles for eksempel med klæbende bindere, der er vanskelige at adskille og genbruge, men nye aluminiumlegeringer til bilindustrien laves med tanke på fremtidig genbrug.
Faktisk er genanvendelighed blevet en drivkraft i fremstillingen af biler. Europæiske regeringer kræver, at alle biler bygges på en sådan måde, at 85 % af deres materialer kan genbruges. “Bilproducenter evaluerer hver enkelt del af bilen for at opfylde dette krav,” siger Arjen Bongard, en bilindustri-analytiker med base i Tyskland.
Genanvendelighedsudfordringen udløser utrolige løsninger. Ford er begyndt at bruge hvedestrå og soyaprodukter i deres kabinedesign, og forsker i kokosnøddeskaller, gulerødder og majsbaseret plastik til materialer. Virksomhedens vision er at producere interiører, der er 100 % bionedbrydelige.
At finde alternative materialer er en vigtig vej, lige som behovet for at skabe omkostningseffektive substitutions- og genbrugsprocesser,” siger Dr. Anna Hultin Stigenberg, som er den overordnede R&D-ekspert hos Sandvik Coromant. Stigenberg var indtil for nylig formand for den internationale styringsgruppe Videns- og innovationsfællesskab for råmaterialer, et initiativ der samler mere end 100 virksomheder og forskningssteder med henblik på at fremme udviklingen af bæredygtig materialeudvikling.
På atomniveau
Men hvorfor slå sig til tåls med materialer, der allerede eksisterer? Mennesker udvikler evnen til at skabe fuldstændigt nye materialer – materialer med specifikke egenskaber.
Vi bliver meget bedre til at designe nye materialer på atomniveau med hjælp fra moderne mikroskoper og computerberegninger,” siger Hultin Stigenberg.
Siden jernalderen sluttede omkring 550 f.kr. er der ikke blevet defineret noget specifikt materiale i menneskets historie. Mange akademikere siger, at vi lever i plastikalderen, men i fremtiden kan vores epoke meget vel blive betegnet som de nye materialers tidsalder, og dens effekt på menneskets udvikling kan bliver meget større end vi er i stand til at forestille os nu.
