6.4 Virkningsgrad og energieffektivisering

Riktig materiale til riktig oppgave

En bro må tåle enorme krefter i hundre år. En mobiltelefon må være lett og slitesterk. En romrakett må overleve ekstrem varme. Det som er perfekt til den ene oppgaven, er helt feil til den andre -- og derfor er valg av materiale en av de viktigste avgjørelsene en teknolog tar.

Materialteknologi handler om materialers egenskaper, oppbygning og bruk. I dette kapittelet skal vi møte de fire hovedgruppene -- metaller, polymerer, keramikk og kompositter -- og lære å velge riktig. Først må vi forstå noen grunnleggende egenskaper: styrke, stivhet, hardhet, duktilitet, tetthet og korrosjonsbestandighet.

Hvordan vi beskriver et materiale

For å velge riktig må vi kunne snakke presist om materialers egenskaper. Styrke er evnen til å tåle belastning uten å gå i stykker. Stivhet, målt som E-modul, er motstanden mot å bøyes -- stål er stivt, gummi er ikke. Hardhet er motstand mot riper, der diamant er hardest. Duktilitet er evnen til å tøyes og formes uten å sprekke -- kobber og aluminium er duktile og kan trekkes til tråder, mens det motsatte, sprøtt, beskriver glass og keramikk som brister uten varsel. I tillegg har vi tetthet (masse per volum), korrosjonsbestandighet og termisk ledningsevne, der metaller leder varme godt og plast isolerer.

Når vi tester styrke, bruker vi to nøkkelbegreper. Spenning er kraften fordelt over tverrsnittet:

$$\sigma = \frac{F}{A}$$

og tøyning er den relative forlengelsen, $\displaystyle \varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0}$. Disse to henger sammen gjennom Hookes lov for elastisk deformasjon: $\sigma = E \cdot \varepsilon$, der $E$ er elastisitetsmodulen. Belastes materialet over flytegrensen, deformeres det permanent, og ved enda høyere belastning når det bruddgrensen og brytes. Tenk deg en ståltråd med tverrsnitt 2,0 mm² belastet med 500 N: spenningen blir $\displaystyle \sigma = \frac{500}{2{,}0 \cdot 10^{-6}} = 250$ MPa -- akkurat på flytegrensen for stål. I praksis legger man derfor inn en sikkerhetsfaktor på to-tre ganger, så man bruker en tykkere tråd enn det strengt tatt trengs.

Metaller og polymerer

Metaller er den mest brukte gruppen i konstruksjoner. Det spesielle ved dem er metallbindingen, der atomene deler elektroner i en «elektronsky». Det gir dem god elektrisk og termisk ledningsevne, duktilitet så de kan valses og smis, og relativt høy styrke og stivhet. De vanligste er stål, aluminium, kobber og titan -- og stål er faktisk en legering, en blanding av jern og karbon. Å legere betyr å blande inn andre grunnstoffer for å forbedre egenskapene; rustfritt stål inneholder for eksempel minst 10,5 prosent krom, som beskytter mot korrosjon. Metaller varierer mye: aluminium har tetthet 2700 kg/m³ og er lett, mens stål er over tre ganger så tungt, men stivere.

Polymerer, eller plast, er bygd opp av svært lange kjedemolekyler. De fleste vi bruker er syntetiske, laget fra petroleum, men det finnes naturlige polymerer som cellulose og silke. Polymerer er lette, korrosjonsbestandige og isolerer mot strøm og varme. Vi deler dem i tre. Termoplaster mykner ved oppvarming og kan smeltes om og resirkuleres -- som polyetylen og PET i flasker. Herdeplaster holder formen ved oppvarming og kan ikke smeltes om, som epoksy. Og elastomerer er svært elastiske og spretter tilbake, som gummi i dekk. Et viktig forbehold å se nøkternt på: de fleste syntetiske polymerer brytes svært sakte ned i naturen, og plast i havet og mikroplast er reelle miljøproblemer -- derfor jobbes det med resirkulering og biobaserte alternativer.

Keramikk, kompositter og kunsten å velge

Keramiske materialer er uorganiske og ikke-metalliske, vanligvis laget ved høy temperatur. De er svært harde og slitesterke, tåler enorme temperaturer, og isolerer godt -- men de er sprøe og brister uten varsel ved overbelastning. Porselen, glass og betong hører hit. Betong er et godt eksempel på et viktig poeng: den er svært sterk i trykk (40-80 MPa), men svak i strekk. Derfor armeres betong med stål, som tar opp strekkreftene betongen ikke tåler.

Det leder oss til den fjerde gruppen: kompositter. En kompositt setter sammen to eller flere materialer for å oppnå egenskaper ingen av dem har alene. Den består av en matrise som binder det hele sammen, som epoksy, og en forsterkning som gir styrke, som fibre av glass eller karbon. Glassfiber brukes i båter, karbonfiber i fly og racersykler, og armert betong i broer. Fordelen er at man kan skreddersy egenskapene og oppnå svært høy styrke i forhold til vekten -- ulempene er at de ofte er dyre og vanskelige å resirkulere.

Nå kan vi forstå hvorfor materialvalg er en avveining. Ta en sykkelramme. Stål er billig og lett å reparere, men tungt. Aluminium er lett og ruster ikke, men stivere og hardere å sykle på. Karbonfiber er ekstremt lett og kan skreddersys, men dyrt og kan sprekke ved slag. Titan er korrosjonsbestandig og holdbart, men svært dyrt. For en hverdagssykkel er aluminium ofte det beste kompromisset, for konkurranse velges karbonfiber, og for langvarig bruk titan. Det finnes sjelden ett riktig svar -- bare det riktige materialet for denne oppgaven, og stadig oftere veies også bærekraft og resirkulerbarhet inn i valget.

Oppsummering

Vi har sett at materialvalg styres av egenskaper som styrke, stivhet, hardhet, duktilitet og tetthet, og at spenning ($\displaystyle \sigma = \frac{F}{A}$), tøyning og Hookes lov ($\sigma = E \cdot \varepsilon$) beskriver hvordan materialer tåler belastning.

De fire hovedgruppene har hver sin styrke: metaller er sterke og duktile, polymerer lette og isolerende, keramikk hardt og varmebestandig men sprøtt, og kompositter kombinerer egenskaper og kan skreddersys. Det finnes sjelden ett riktig materiale -- bare det riktige for oppgaven, slik sykkelrammen viste, og bærekraft veies stadig oftere inn i valget.