Het uiterste uit de materie

Een vliegtuig is over het algemeen ontworpen voor een gebruik van dertig jaar. In de praktijk leggen veel vliegtuigmaatschappijen de grens echter op veertig tot vijftig jaar.

,,Een van onze onderzoeksgebieden binnen ons Dioc richt zich op het zo lang mogelijk gebruiken van vliegtuigen”, vertelt prof.dr.ir. S. van der Zwaag van de subfaculteit Materiaalkunde bij TNW. ,,We kijken daarbij enerzijds naar bestaande vliegtuigen, maar we onderzoeken ook hoe vliegtuigen in de toekomst een langere levensduur kunnen krijgen.”

Wat betreft dit laatste punt sluit het Dioc (Delfts Interfacultair Onderzoekscentrum) aan bij een onderzoek van L&R, waar al twintig jaar een speurtocht gaande is naar nieuw materiaal voor het bouwen van vliegtuigen. Het zwakke punt bij de huidige vliegtuigen is het gebruik van geklonken verbindingen. Door de gaten in het materiaal voor de klinknagels ontstaat er een verzwakking. Bovendien geven de nagels zowel dwars- als axiale spanningen.

Het idee is nu om vliegtuigen te bouwen van twee dunne lagen aluminium, met daartussen een laag van één-assige composieten, bijvoorbeeld van epoxy en glasvezel of epoxy en aramide vezels. ,,Dit soort matjes zijn in principe in staat om scheurvorming op te vangen”, zegt Van der Zwaag. ,,Wat we nu willen onderzoeken is hoe de composietlaag en de twee aluminiumlagen optimaal te hechten zijn.”

De vraag hoe lang een bepaald materiaal nog voldoet zonder kapot te gaan, is op meerdere gebieden uiterst actueel. Naast vliegtuigmateriaal onderzoekt het Dioc Materialen ook beton en metalen. Tijdens het maken van beton ontstaan als gevolg van krimp spanningen en scheuren in het materiaal. Deze effecten hebben een vergaande invloed op de sterkte van het materiaal. Door op moleculair niveau te onderzoeken hoe deze processen te beïnvloeden zijn, hoopt Van der Zwaag de materiaaleigenschappen te kunnen verbeteren. Een onderdeel van dit programma is het ontwikkelen van optische technieken om de scheuren te lokaliseren en de scheurwijdte te kwantificeren.
Koolstof

Het onderzoeksgebied naar metalen is in tweeën gesplitst. Een deel daarvan betreft het gedrag van metaal bij hoge temperatuur en druk, zoals bijvoorbeeld reactorvaten in de chemie. ,,Staal ontleent haar eigenschappen niet alleen aan atomen, maar ook aan de structuren waarin de atomen hun plaats hebben. Onder bedrijfscondities treedt er echter een herverdeling op van met name het aanwezige koolstof, waardoor de eigenschappen van het materiaal in nadelige zin kunnen veranderen.”

De oplossing zou liggen in het zodanig veranderen van de microstructuur, dat er een zelfremmend mechanisme optreedt. Hierbij zou de buitenkant van het metaal sterk genoeg moeten zijn om de gevolgen van een eventuele inwendige scheur op tevangen.

Ook bij lage temperatuur kunnen schadelijke vervormingen optreden, met soms ernstige gevolgen. Een voorbeeld hiervan zijn de aardgasleidingen in de Noordzee. De installatie vindt plaats vanaf een schip, waar de stalen buis zich op een rol bevindt. Tijdens het afrollen kan met name in de gelaste structuur beschadigingen optreden. Het Dioc onderzoekt nu onder welke condities defecten kunnen ontstaan. ,,Gelukkig gebeuren er weinig ongelukken met dergelijke pijpleidingen”, constateert Van der Zwaag. ,,Ook hier bestaat er een duidelijke behoefte om dichter tegen de grens van het mogelijke te gaan zitten, onder meer omdat dit tot een zuinig materiaalgebruik kan leiden.’

Het Dioc draait inmiddels ruim een jaar. Er is voor de vierjarige looptijd een budget van rond de vijf miljoen beschikbaar, genoeg voor de aanstelling van tien onderzoekers. ,,Daarvan is een deel vervuld”, aldus Van der Zwaag. ,,Maar nog steeds zijn niet alle projecten bezet. We hebben duidelijk last van de schaarste op de arbeidsmarkt. Er is een geweldige competitie onder materiaalkundigen, maar we hopen medio ’99 alle plaatsen bezet te hebben.”

Een vliegtuig is over het algemeen ontworpen voor een gebruik van dertig jaar. In de praktijk leggen veel vliegtuigmaatschappijen de grens echter op veertig tot vijftig jaar.

,,Een van onze onderzoeksgebieden binnen ons Dioc richt zich op het zo lang mogelijk gebruiken van vliegtuigen”, vertelt prof.dr.ir. S. van der Zwaag van de subfaculteit Materiaalkunde bij TNW. ,,We kijken daarbij enerzijds naar bestaande vliegtuigen, maar we onderzoeken ook hoe vliegtuigen in de toekomst een langere levensduur kunnen krijgen.”

Wat betreft dit laatste punt sluit het Dioc (Delfts Interfacultair Onderzoekscentrum) aan bij een onderzoek van L&R, waar al twintig jaar een speurtocht gaande is naar nieuw materiaal voor het bouwen van vliegtuigen. Het zwakke punt bij de huidige vliegtuigen is het gebruik van geklonken verbindingen. Door de gaten in het materiaal voor de klinknagels ontstaat er een verzwakking. Bovendien geven de nagels zowel dwars- als axiale spanningen.

Het idee is nu om vliegtuigen te bouwen van twee dunne lagen aluminium, met daartussen een laag van één-assige composieten, bijvoorbeeld van epoxy en glasvezel of epoxy en aramide vezels. ,,Dit soort matjes zijn in principe in staat om scheurvorming op te vangen”, zegt Van der Zwaag. ,,Wat we nu willen onderzoeken is hoe de composietlaag en de twee aluminiumlagen optimaal te hechten zijn.”

De vraag hoe lang een bepaald materiaal nog voldoet zonder kapot te gaan, is op meerdere gebieden uiterst actueel. Naast vliegtuigmateriaal onderzoekt het Dioc Materialen ook beton en metalen. Tijdens het maken van beton ontstaan als gevolg van krimp spanningen en scheuren in het materiaal. Deze effecten hebben een vergaande invloed op de sterkte van het materiaal. Door op moleculair niveau te onderzoeken hoe deze processen te beïnvloeden zijn, hoopt Van der Zwaag de materiaaleigenschappen te kunnen verbeteren. Een onderdeel van dit programma is het ontwikkelen van optische technieken om de scheuren te lokaliseren en de scheurwijdte te kwantificeren.
Koolstof

Het onderzoeksgebied naar metalen is in tweeën gesplitst. Een deel daarvan betreft het gedrag van metaal bij hoge temperatuur en druk, zoals bijvoorbeeld reactorvaten in de chemie. ,,Staal ontleent haar eigenschappen niet alleen aan atomen, maar ook aan de structuren waarin de atomen hun plaats hebben. Onder bedrijfscondities treedt er echter een herverdeling op van met name het aanwezige koolstof, waardoor de eigenschappen van het materiaal in nadelige zin kunnen veranderen.”

De oplossing zou liggen in het zodanig veranderen van de microstructuur, dat er een zelfremmend mechanisme optreedt. Hierbij zou de buitenkant van het metaal sterk genoeg moeten zijn om de gevolgen van een eventuele inwendige scheur op tevangen.

Ook bij lage temperatuur kunnen schadelijke vervormingen optreden, met soms ernstige gevolgen. Een voorbeeld hiervan zijn de aardgasleidingen in de Noordzee. De installatie vindt plaats vanaf een schip, waar de stalen buis zich op een rol bevindt. Tijdens het afrollen kan met name in de gelaste structuur beschadigingen optreden. Het Dioc onderzoekt nu onder welke condities defecten kunnen ontstaan. ,,Gelukkig gebeuren er weinig ongelukken met dergelijke pijpleidingen”, constateert Van der Zwaag. ,,Ook hier bestaat er een duidelijke behoefte om dichter tegen de grens van het mogelijke te gaan zitten, onder meer omdat dit tot een zuinig materiaalgebruik kan leiden.’

Het Dioc draait inmiddels ruim een jaar. Er is voor de vierjarige looptijd een budget van rond de vijf miljoen beschikbaar, genoeg voor de aanstelling van tien onderzoekers. ,,Daarvan is een deel vervuld”, aldus Van der Zwaag. ,,Maar nog steeds zijn niet alle projecten bezet. We hebben duidelijk last van de schaarste op de arbeidsmarkt. Er is een geweldige competitie onder materiaalkundigen, maar we hopen medio ’99 alle plaatsen bezet te hebben.”