Komposiitmaterjalid

Komposiitmaterjale ehk komposiite valmistatakse kombineerides omavahel kaks või enam materjali, milledel on sageli väga erinevad omadused. See kooslus annab enamasti uue unikaalsete omadustega materjali. Siin tuleb ka märkida, et komposiitmaterjalides on erinevad materjalid eristatavad ehk need ei ole näiteks omavahel kuidagi reageerinud ühtseks massiks või üksteises  lahustunud.

Looduslikke komposiite võib leida nii inimestes, loomades kui ka taimedes. Näiteks puit on komposiit, milles pikad tselluloosi kiud on seotud ühtseks materjaliks ligniiniga. Viimane on tselluloosist tunduvalt halvemate mehaaniliste omadustega, kuid kombineerituna tselluloosiga saadakse tunduvalt tugevam materjal – puit.

Luu on samuti komposiitmaterjal. See koosneb kõvast, kuid rabedast, hüdroksüapatiidist (peamiselt kaltsiumfosfaat) ja pehmest ning painduvast kollageenist – valguline materjal, mida leidub ka juustes ja küüntes. Kui luud koosneks ainult hüdroksüapatiidist, siis oleksid need rabedad ja murduks tõenäoliselt sageli, aga kombineerituna kollageeniga tekib materjal, mis sobib luustiku ehituseks väga hästi.

Inimkond on tegelikult valmistanud ja kasutanud komposiite juba tuhandeid aastaid. Üks kõige varasemaid selliseid materjale on pinnasest (näiteks savist või savi-liiv segust) tehtud ehitusplokid. Osad pinnasematerjalid tahkuvad kuivades, omandades hea survetugevuse, aga murduvad kergesti, kui proovida neid painutada (iseloomulik halvale elastsusele). Kõrreliste taimede varred omavad just head elastsust (paindetugevust), kuid neid on lihtne muljudes purustada. Segades veega vedeldatud pinnast kõrtega saadakse pärast vormimist ja kuivamist materjal, mis kannatab nii survet kui ka tõmmet, moodustades ehituseks sobiva komposiitse materjali.

Veel üks iidne komposiitmaterjal on betoon, mis on segu kivikestestest, (peenest) liivast ja tsemendist. Sellel on väga hea survetugevus, kuid sarnaselt pinnasest tehtud plokkidega ei talu see painutamist. Lisades betooni sisse, sarnaselt kõrtele, teras vardaid saadakse sobivate omadustega ehitusmaterjal. Sellist raudvarrastega sarrustatud betooni nimetatakse raudbetooniks.

Enamik komposiite valmistatakse kahest lähtematerjalist. Üks neist on tavaliselt sideaine, mis seob kogu komposiidi ühtseks ümbritsedes täitematerjali, näiteks kiud , mida nimetatakse sarruseks.

Tänapäevased komposiidid

Esimeseks kaasaegseks komposiitmaterjaliks peetakse klaaskiudplastikut. Sellest valmistatakse autode, paatide ja laevade keresid ning osasid, spordivarustust ning ehituslikke paneele. Selles komposiidis on sideaineks ehk maatriksiks polümeer, mis seob kokku klaaskiudusid. Viimased võivad olla nt lühikesed või punutud kangaks. Üksiti vaadeldes on klaas rabe materjal, seda ei saa eriti painutada ja murdub järsult, kui tugevat painutamist proovida. Peenikeste kiudude kujul muutub klaas aga kergesti painutatavaks ja sellel on suur tõmbetugevus. Kui sellised kiud plastmassiks kokku liimida, siis moodustubki tugev materjal. Plasti ülesanne on siin siduda kiud kompaktseks ning hajutada laiali kiudude vahel kogu materjalile mõjuvad jõud.

Klaaskiudplastikule sarnast materjali saab valmistada asendades klaaskiud süsinikkiududega. Sellised komposiidid on kergemad ja tugevamad, kui klaaskiuga tehtud, kuid on kallimad. Neid kasutatakse näiteks lennukite ehitusel, kus väiksem kaal on eeliseks ning ka spordivarustuse (golfikepid, suusakepid) või kallimate (sport-) autode valmistamisel.

Süsiniknanotorusid on samuti kasutatud sarrusmaterjalina. Nendega saab valmistada veel kergemaid ja tugevamaid komposiite, kui on süsinikkiudplastikud, kuid need on ülimalt kallihinnalised. Võimalikud kasutusalad on jällegi lennundus, kosmosetehnika või autod.

Näiteks lennuk Airbus 380 kasutab palju komposiite võrreldes teiste sarnaste reisilennukitega. Üle 20 % A380-st on komposiitsetest materjalidest, suurem osa neist süsinikkiudplastikud. Samuti on selle lennuki ehitamisel kasutatud uuttüüpi klaaskiudalumiiniumkomposiiti, mis on tavalisest lennuki ehituses kasutatavast alumiiniumist 25 % tugevam ja samas 20 % kergem.

Milleks kasutada komposiite?

Komposiitide peamine omadus on kergus ja suurem tugevus, kui tavalistel materjalidel. Valides sobiva maatriksi ja sarruse ning nende hulgad, on võimalik muuta komposiidi omadusi ning sobitada neid vastavalt rakendusele. Paljud komposiidid on valmistamisel kergesti töödeldavad võimaldades toota keeruka vormiga osasid. Samas aga on tihti komposiidid kallimad kui tavamaterjalid, mis võib olla tingitud näiteks kallimatest lähtematerjalidest.

Küsimused

1. Mis on komposiit?
2. Ainult kollageenist skeletti ei saa kasutada. Miks?
3. Miks on komposiidid looduses tähtsad?
4. Mis on järgnevates komposiitides maatriksiks ja mis on sarruseks?

1. Pinnasest ehitusplokid?
2. Betoon?

1. Nimetage kaasaegseid komposiite ja tooge välja nende kasutusalad/rakendused? Püüdke leida ka mõni, mida pole eespool tekstis kirjeldatud.
2. Miks on komposiitmaterjalid Airbus A380 tähtsad?
3. Kuidas saavad komposiitmaterjalid aidata kaasa looduskaitsele ja süsihappegaasi heitmete vähendamisele tulevikus?