Vraag een ingenieur die nog nooit met composieten heeft gewerkt wat de treksterkte van koolstofvezel is, en hij of zij zal je één getal geven – misschien 3,500 MPa, misschien 5,000, misschien “sterker dan staal”. Alle drie de antwoorden zijn waar, maar volkomen misleidend. Koolstofvezel heeft geen treksterkte. Het heeft een treksterkte in de vezelrichting, een andere treksterkte in de dwarsrichting en een schuifsterkte die onafhankelijk is van beide. Het getal op het specificatieblad – de 4,900 MPa voor T1000G, de 3,530 MPa voor T700S – is een unidirectioneel testresultaat, gemeten langs de vezels. Draai de belasting 90 graden en de sterkte daalt met een factor vijftig. Dit directionele gedrag is het allerbelangrijkste om te begrijpen over de mechanische eigenschappen van koolstofvezel, en het is precies wat de intuïtie over isotrope materialen altijd verkeerd interpreteert. Dit artikel dient als naslagwerk voor de mechanische eigenschappen die van belang zijn bij het ontwerpen: trek-, druk-, buig- en vermoeiingsprestaties van koolstofvezelcomposieten. Het bevat gegevenstabellen waarin standaardvezels van luchtvaartkwaliteit (T300, T700, T800, M40J, M60J) worden vergeleken met aluminium, staal en titanium, zowel op absolute als op specifieke (per gewichtseenheid) basis.
Het Fiber-Matrix Partnerschap: Waarom CFRP-eigenschappen niet alleen de eigenschappen van de vezel zelf zijn.
Een T700S koolstofvezelfilament heeft een treksterkte van 4,900 MPa. Een unidirectioneel laminaat van T700S/epoxy, getest in de vezelrichting, heeft een treksterkte van ongeveer 2,500-2,800 MPa – ruwweg de helft van de vezelsterkte. Het verschil is geen meetfout. Het zit hem in het vezelvolumepercentage: een unidirectioneel laminaat bestaat doorgaans voor 55-65% uit vezels, terwijl de resterende 35-45% epoxyhars is met een treksterkte van ongeveer 70-80 MPa. De mengregel geeft de longitudinale sterkte van het composietmateriaal ruwweg gelijk aan de vezelsterkte vermenigvuldigd met het vezelvolumepercentage (plus een verwaarloosbare bijdrage van de hars). Voor een hogere composietsterkte is een hoger vezelvolumepercentage nodig – vandaar dat autoclaafgehard prepreg (60-65% vezelvolumepercentage) bij hetzelfde vezeltype ongeveer 30-40% beter presteert dan nat lamineren (35-45% vezelvolumepercentage). Maar een hogere vezelvolumefractie is niet gratis. Laminaten met een hogere vezelvolumefractie worden brozer in de dwarsrichting omdat er minder hars is om de belasting tussen de vezels te verdelen. De praktische bovengrens voor CFRP in de lucht- en ruimtevaart ligt rond de 65% vezelvolumefractie. Daarboven wordt het laminaat te moeilijk te verwerken en verslechteren de eigenschappen in de dwarsrichting zodanig dat interlaminair schuiven de belangrijkste faalmodus wordt. De belangrijkste conclusie: bij het vergelijken van de mechanische eigenschappen van koolstofvezels moet u altijd nagaan of het getal alleen voor de vezel geldt (de vezelbundeltest) of voor een specifiek laminaat met een bekende vezelvolumefractie en lay-up. Een T300-vezel, getest als droge bundel, geeft ongeveer 3,530 MPa. Een quasi-isotroop laminaat van T300/epoxy (0/+45/-45/90) geeft ongeveer 600-700 MPa in elke richting in het vlak. Beide waarden zijn correct, maar ze meten verschillende dingen.
| Eigendom | T300 (Standaard) | T700S (Hoge sterkte) | T800H (Tussenliggende modulus) | M40J (Hoge Modulus) | M60J (Ultra-High Modulus) |
|---|---|---|---|---|---|
| Treksterkte (MPa) | 3,530 | 4,900 | 5,490 | 4,400 | 3,920 |
| Trekmodulus (GPa) | 230 | 230 | 294 | 377 | 588 |
| Verlenging bij breuk (%) | 1.5 | 2.1 | 1.9 | 1.2 | 0.7 |
| Dichtheid (g / cm³) | 1.76 | 1.80 | 1.81 | 1.77 | 1.93 |
| Specifieke sterkte (MPa·cm³/g) | 2,006 | 2,722 | 3,033 | 2,486 | 2,031 |
| Specifieke modulus (GPa·cm³/g) | 131 | 128 | 162 | 213 | 305 |
Koolstofvezel versus metalen: de specifieke eigenschappen die er echt toe doen
Het vergelijken van koolstofvezel met metalen op basis van absolute sterkte is een categoriefout. Een unidirectioneel T700S/epoxy-laminaat met 60% FVF is weliswaar sterker dan 7075-T6 aluminium in de lengterichting (2,550 MPa versus 572 MPa), maar presteert aanzienlijk minder goed in de dwarsrichting (ongeveer 50 MPa versus 572 MPa). Een eerlijke vergelijking is gebaseerd op specifieke eigenschappen: sterkte of stijfheid gedeeld door dichtheid, wat aangeeft hoeveel structurele capaciteit je per kilogram krijgt. Wat betreft specifieke treksterkte bereikt CFRP (T700S, 60% FVF UD) ongeveer 1,600 MPa·cm³/g. Aluminium 7075-T6 bereikt ongeveer 203 MPa·cm³/g. CFRP wint dus met een factor acht. Wat de specifieke elasticiteitsmodulus betreft, bereikt CFRP (T700S UD) een waarde van ongeveer 82 GPa·cm³/g, tegenover 26 GPa·cm³/g voor aluminium – een factor drie. Dit is de reden waarom koolstofvezel de boventoon voert in de luchtvaart: elke bespaarde kilogram is honderden dollars aan brandstofkosten waard gedurende de levensduur van het vliegtuig. Een acht-op-één voordeel in specifieke sterkte is dan ook een overtuigende zakelijke argumentatie die de hogere materiaalkosten ruimschoots compenseert. De vergelijking verandert wanneer je overgaat van unidirectionele eigenschappen naar quasi-isotrope laminaateigenschappen – wat een echt constructieonderdeel gebruikt, omdat echte belastingen uit meerdere richtingen komen. Een quasi-isotroop T700S/epoxy-laminaat (0/±45/90 layup) heeft een treksterkte van ongeveer 650 MPa en een elasticiteitsmodulus van ongeveer 50 GPa in elke richting in het vlak. Qua absolute sterkte is dat vergelijkbaar met 7075-T6 aluminium (572 MPa vloeigrens). Wat de specifieke treksterkte betreft, bedraagt deze ongeveer 420 MPa·cm³/g, tegenover 203 voor aluminium – nog steeds een factor twee voordeel. Het voordeel van koolstofvezel blijft behouden bij de overgang van een unidirectioneel testmonster naar een quasi-isotroop structureel laminaat. Het daalt weliswaar van een factor acht naar een factor twee, wat nog steeds voldoende is om 20% op het structurele gewicht te besparen in een goed ontworpen onderdeel.
Druk- en buigeigenschappen: Waar CFRP zijn grenzen bereikt
De druksterkte van koolstofvezels is systematisch lager dan de treksterkte – typisch 60-70% van de treksterkte voor een unidirectioneel laminaat. T700S UD-laminaat: treksterkte 2,550 MPa, druksterkte ongeveer 1,500 MPa. Het faalmechanisme is verschillend: bij trekbreuk wordt de vezel gedomineerd (de vezels breken), terwijl bij drukbreuk de matrix gedomineerd wordt (de vezels knikken microscopisch in de harsmatrix, een fenomeen dat microknik wordt genoemd). Vezels met een hogere modulus (M40J, M60J) hebben een slechtere verhouding tussen druk- en treksterkte omdat hun kleinere diameter en hogere anisotropie ze gevoeliger maken voor microknik. Daarom moeten koolstofvezelconstructies die aan drukbelastingen worden blootgesteld – zoals de bovenste vleugelbekleding en drukbelaste stijlen – worden ontworpen met de toelaatbare druksterkte als uitgangspunt, en niet de treksterkte die fabrikanten in de kop van het specificatieblad vermelden. De buigsterkte ligt tussen de trek- en druksterkte in – typisch 1,200-1,700 MPa voor CFRP van luchtvaartkwaliteit – omdat bij een buigproef het ene oppervlak onder trekspanning en het andere onder drukspanning staat, en breuk meestal aan de drukzijde begint. De praktische implicatie: als uw onderdeel buigbelastingen te verduren krijgt (balken, platen onder druk, schalen), ontwerp dan op basis van de druksterkte, want daar zal de breuk beginnen.
Vermoeidheid: Waar koolstofvezel metalen te schande maakt
Als er één mechanische eigenschap is waarbij koolstofvezel een overweldigend voordeel biedt ten opzichte van metalen, dan is het wel vermoeiing. Aluminium heeft geen vermoeiingsgrens – het zal uiteindelijk bezwijken onder elke cyclische belasting, mits er voldoende cycli zijn. Staal heeft een vermoeiingsgrens bij ongeveer 40-50% van zijn treksterkte. Koolstofvezel/epoxycomposieten die in de vezelrichting zijn getest met 10⁷ cycli behouden 70-90% van hun statische sterkte – en de SN-curve is in wezen vlak na ongeveer 10⁶ cycli, wat betekent dat er mogelijk een praktische vermoeiingsgrens is bij ongeveer 70-80% van de statische sterkte. In de composietromp van de Boeing 787 vertaalt dit vermoeiingsvoordeel zich direct in lagere onderhoudskosten: geen inspecties op vermoeiingsscheuren in de overlappende verbindingen (de klassieke oorzaak van onderhoudsproblemen bij aluminium rompen), geen corrosiegerelateerde vermoeiing (omdat CFRP niet corrodeert) en een ontwerplevensduur van 44,000 vliegcycli versus 20,000-30,000 voor ontwerpen met veel aluminium. Het probleem is dat vermoeiing in CFRP matrixgedreven is: bij hoge temperaturen of in aanwezigheid van vocht neemt de vermoeiingsweerstand van de hars af en daalt de vermoeiingsprestatie van het composietmateriaal richting de vermoeiingsgrens van de hars. Een CFRP-onderdeel dat na 10⁷ cycli bij kamertemperatuur in droge omstandigheden 80% van zijn statische sterkte behoudt, behoudt mogelijk slechts 50-60% bij 80 °C met vochtverzadiging. Dit is de reden waarom CFRP-constructies in de lucht- en ruimtevaart worden ontworpen met omgevingsfactoren die de sterkte verminderen – een onderwerp voor een ander artikel, maar de kern is: het voordeel van koolstofvezel op het gebied van vermoeiing is reëel, groot en temperatuurafhankelijk.
