Composietmateriaal: waarom lichter en sterker vaak hand in hand gaan
Een composietmateriaal is een materiaal dat is opgebouwd uit twee of meer verschillende stoffen die samen eigenschappen krijgen die geen van beide afzonderlijk heeft. Denk aan gewapend beton: beton is sterk onder druk maar breekt snel bij trekkrachten, terwijl staal juist heel goed trekkrachten aankan. Door staven staal in het beton te gieten, ontstaat een materiaal dat beide krachten aankan. Precies dat principe, twee materialen combineren tot iets beters dan de som der delen, is de kern van elk composiet.
In de context van toekomsttechnologie gaat het meestal om een specifiek type composiet: vezelversterkte kunststof. Dun glasvezel- of koolstofvezelweefsel wordt "ingebed" in een kunststof hars, vergelijkbaar met hoe stro vroeger in leem werd gemengd om bouwmateriaal steviger te maken. Het resultaat is opvallend licht, maar kan qua sterkte wedijveren met staal. Deze combinatie van laag gewicht en hoge sterkte maakt composieten aantrekkelijk voor alles van vliegtuigen tot windmolenwieken.
Wat is het precies?
Een composiet bestaat altijd uit twee hoofdbestanddelen: de versterking en de matrix. De versterking bestaat meestal uit lange, dunne vezels, van glas, koolstof of het kogelwerende materiaal aramide (bekend van het merk Kevlar). Deze vezels geven het materiaal zijn sterkte en stijfheid, vergelijkbaar met de rol van wapeningsstaal in beton.
De matrix is de kunststof die de vezels bij elkaar houdt en beschermt, vaak een hars zoals epoxy. Deze matrix zorgt ervoor dat krachten gelijkmatig over alle vezels worden verdeeld en beschermt ze tegen vocht en beschadiging. Zonder matrix zou een bundel vezels uit elkaar vallen; zonder vezels zou de hars te broos zijn voor zware belasting.
Bij de productie worden vezelmatten laag voor laag opgebouwd in een mal, doordrenkt met hars en vervolgens uitgehard, vaak onder hitte en druk in een grote oven die een autoclaaf heet. De richting waarin de vezels liggen, bepaalt in welke richting het materiaal het sterkst is. Ingenieurs kunnen daardoor per onderdeel precies bepalen waar extra sterkte nodig is, iets wat bij een homogeen materiaal als staal niet mogelijk is.
Er bestaan ook nieuwere varianten met een thermoplastische matrix in plaats van de klassieke thermohardende hars. Thermoplasten kunnen na productie opnieuw verwarmd en vervormd worden, wat reparatie en recycling eenvoudiger maakt, een van de grootste knelpunten van traditionele composieten.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter composietontwikkeling is gewichtsbesparing zonder concessies aan sterkte. In de luchtvaart en auto-industrie betekent minder gewicht direct minder brandstofverbruik en dus lagere CO2-uitstoot. Een vliegtuig dat tien procent lichter is, verbruikt aanzienlijk minder kerosine over de levensduur van het toestel.
Daarnaast zijn composieten ongevoelig voor corrosie, in tegenstelling tot metalen die kunnen roesten. Dat maakt ze aantrekkelijk voor toepassingen in zilte of vochtige omgevingen, zoals scheepsrompen, offshore windturbines en bruggen.
Een derde doelstelling is ontwerpvrijheid. Omdat composietonderdelen in een mal worden gevormd, zijn complexe, gebogen vormen mogelijk die met metaalbewerking lastig of onmogelijk zijn. Dat is bijvoorbeeld cruciaal voor de aerodynamisch geoptimaliseerde wieken van windturbines, die soms meer dan tachtig meter lang zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
De Boeing 787 Dreamliner, die in 2011 in dienst kwam, bestaat voor ongeveer vijftig procent uit composietmateriaal, inclusief de romp en vleugels. Dat was destijds een grote stap ten opzichte van eerdere toestellen, die overwegend van aluminium waren gemaakt. Concurrent Airbus volgde met een vergelijkbare aanpak in de A350, die in 2015 haar eerste commerciële vlucht maakte.
In de windenergie zijn composieten inmiddels standaard. Fabrikanten als het Deense LM Wind Power (onderdeel van GE) produceren wieken die volledig zijn opgebouwd uit glasvezel- en koolstofvezelcomposiet, vaak in Nederland en Denemarken geproduceerd voor windparken op de Noordzee.
De BMW i3, geïntroduceerd in 2013, had als eerste massaproductie-auto een passagierscel volledig van koolstofvezelcomposiet, om het extra gewicht van de accu's te compenseren.
In de zeilsport bouwen teams voor de America's Cup al sinds de jaren negentig bootrompen en zelfs "vleugels" van koolstofvezelcomposiet, wat resulteerde in boten die letterlijk boven het water kunnen "vliegen" op onderwatervleugels.
Ook in de bouw duiken composieten op: in Nederland liggen inmiddels tientallen fiets- en voetgangersbruggen van glasvezelversterkte kunststof, zoals de brug in Halsteren (2011), die lichter zijn dan betonnen varianten en nauwelijks onderhoud vergen.
Hoe ver is de techniek?
Voor lucht- en ruimtevaart, sportmaterialen en windenergie is composiettechnologie volwassen: het wordt al decennia op grote schaal toegepast en de productieprocessen zijn goed uitontwikkeld. In de reguliere auto-industrie blijft het gebruik beperkter dan aanvankelijk verwacht, vooral omdat productie van composietonderdelen nog altijd trager en duurder is dan het stampen van staalplaat.
Het grootste openstaande probleem is recycling. Klassieke composieten met thermohardende hars kunnen niet gesmolten en hergebruikt worden zoals metaal; de vezels en hars zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden. Afgedankte windturbinewieken worden daardoor vaak vermalen tot vulmateriaal in cement, wat geen hoogwaardig hergebruik is. De Europese windindustrie heeft daarom vrijwillig afgesproken om vanaf 2025 geen wieken meer te storten, wat de druk op recyclingoplossingen vergroot.
Er wordt gewerkt aan alternatieven: harsen die met chemische processen (solvolyse) weer scheidbaar zijn in vezels en bruikbare grondstoffen, en thermoplastische composieten die wel omgesmolten kunnen worden. Deze technieken zijn nog vooral in de onderzoeksfase en nog niet overal kosteneffectief op industriële schaal.
Wie werken eraan?
Grote luchtvaartfabrikanten als Boeing en Airbus zijn belangrijke aanjagers van composietontwikkeling, samen met materiaalleveranciers zoals het Japanse Toray Industries en het Amerikaanse Hexcel, twee van de grootste producenten van koolstofvezel wereldwijd.
In Duitsland doet het Fraunhofer-instituut via meerdere onderzoeksinstituten fundamenteel werk aan nieuwe hars- en recyclingtechnieken, terwijl bedrijven als SGL Carbon koolstofvezel produceren voor onder meer de auto-industrie.
In Nederland is de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de TU Delft een belangrijk kenniscentrum voor composietonderzoek, met samenwerkingen met onder meer het Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR) en de regionale composietindustrie rond Twente en Noord-Brabant.
Op het gebied van windenergie zijn Denemarken en Duitsland toonaangevend, met bedrijven als Vestas en LM Wind Power en onderzoek aan de Technische Universiteit van Denemarken (DTU). De Europese Unie financiert daarnaast via haar onderzoeksprogramma's meerdere projecten gericht op recyclebare composieten voor windturbines.