Composieten zijn materialen die bestaan uit verschillende andere materialen. Vaak gaat het bij composieten om materialen versterkt met vezels, maar dit hoeft niet. Een composiet wordt gebruikt om de eigenschappen van de verschillende materialen te combineren. Zo kan het toevoegen van rubberen deeltjes aan een bros polymeer als polystyreen ervoor zorgen dat het materiaal taaier en flexibeler wordt.
Het toevoegen van zulke deeltjes heeft natuurlijk ook nadelen: de stijfheid van polystyreen gaat omlaag. Toch kan het voor een product acceptabel zijn om stijfheid in te leveren ten gunste van taaiheid. Bijvoorbeeld als bekend is dat mensen het product kunnen laten vallen. In dit artikel wordt beschreven hoe je een composietsamenstelling kunt optimaliseren op basis van gewenste stijfheid.
Als er wordt gewerkt met verschillende materialen, heb je ook te maken met verschillende materiaaleigenschappen. In dit geval zoomen we in op de stijfheid van rubber en polystyreen:
Polystyreen = 3,3 GPa
Rubber = 5 MPa
Voor deze berekening moet er een keuze worden gemaakt: hoeveel van de stijfheid van polystyreen mag worden ingeleverd ten gunste van de extra taaiheid die het onderdeel krijgt? Dit is een keuze die afhangt van de krachten die op het onderdeel werken. In dit voorbeeld wordt er uitgegaan van een maximale belasting van 1500 MPa in het onderdeel. Met de veiligheidsfactor van 1,5 komt dit neer op een minimale stijfheid van 2250 MPa voor het composiet. Hoeveel rubber moet aan polystyreen worden toegevoegd om een stijfheid te krijgen van 2250 MPa?
De volgende formule kan gebruikt worden om het aantal volumeprocenten van rubber (Vr) ten opzichte van het aantal volumeprocenten van polystyreen (Vp) in het composiet te bepalen:
Het probleem van deze formule is dat het twee onbekenden bevat. Er is echter een verband tussen Vr en Vp aan te wijzen. Het aantal volumeprocenten van de twee samen is 100%. We kiezen er daarom voor om de formule te herschrijven zodat er nog maar één onbekende in zit:
Deze formule is wel uit te rekenen:
Waaruit geconcludeerd kan worden dat:
Om een stijfheid te behouden van 2250 MPa kan er dus 47 volumeprocent aan rubberen deeltjes toegevoegd worden aan polystyreen.