IMG51

Dobór materiałów

Jest to kolejny przykład projektowania wyrobu o minimalnej masie. Odpowiednim WYKRESEM DOBORU materiałów jest ponownie ten, który przedstawia zestawienie modułu Younga E i gęstości p materiału. W tym jednak przypadku linia przewodnia

naniesiona na wykres ma nachylenie 3, odpowiadające warunkowi M- E'^/ijp= stała (rys. 6.4). Szkło leży na linii M-1 (GPa)^1/3-m³/Mg. Materiały leżące ponad tą linią są lepsze, a poniżej gorsze. Szkło jest znacznie lepsze od stali i stopu speculum (dlatego większość zwierciadeł wykonuje się ze szkła). Nie jest jednak ono tak dobre jak magnez, niektóre ceramiki inżynierskie, umacniane włóknami węglowymi i włóknami szklanymi polimery lub - co jest zaskakującym odkryciem - sztywne pianki polimerowe. Podzbiór wybranych materiałów podano w tabl. 6.2.

TABLICA 6.2.

Materiały na podłoża zwierciadeł 200-calowych teleskopów

Materiał	M=E'^nlp [GPa^lom^I/Mg]	m w	Komentarz
Stal (lub stop speculum)	0,7	158	Bardzo ciężka. Stosowana w przeszłości
Beton	1,4	56	Ciężki. Pełzanie i odkształcenia cieplne stanowią poważny problem
Stopy Al	1,5	53	Ciężkie, duża rozszerzalność cieplna
Szkło	1,6	48	Materiał stosowany obecnie
GFRP	1,7	44	Niezadowalająca stabilność wymiarowa. Stosowane na radioteleskopy
Stopy Mg	2,1	38	Lżejsze niż szkło, ale o dużej rozszerzalności cieplnej
Drewno	3,6	14	Niestabilne wymiarowo
Pianki polistyrenowe	3,9	13	Bardzo lekkie, ale niestabilne wymiarowo. Alternatywa: pianki szklane?
CFRP	4,3	11	Bardzo lekkie, ale niestabilne wymiarowo; używane w budowie radioteleskopów

Konieczne jest oczywiście przeanalizowanie innych aspektów doboru materiałów. Masy zwierciadeł wykonanych z materiałów zestawionych w tabl. 6.2 można obliczyć ze wzoru (6.5).

Zauważmy, że zwierciadła wykonane z pianek polimerowych i CFRP są w przybliżeniu 5-krotnie lżejsze od szklanych. Konstrukcja podpierająca te zwierciadła może być zatem 25-krotnie tańsza od konstrukcji stosowanej dla typowych zwierciadeł szklanych. Czy można jednak takie zwierciadła zrobić?

Niektóre wybrane materiały - pianka polistyrenowa lub CFRP - mogą początkowo wydawać się niepraktyczne. Potencjalne korzyści ekonomiczne są jednak tak olbrzymie (współczynnik 25), że takie rozwiązanie warto starannie rozważyć. Znana jest metoda wylania cienkiej warstwy elastomeru silikonowego lub żywicy epoksydowej na powierzchnię oparcia zwierciadła (polistyrenu lub CFRP), tak aby uzyskać optycznie gładką powierzchnię, którą można posrebrzyć. Największą przeszkodą w użyciu tych materiałów jest niestabilność właściwości polimerów - zmieniają wymiary z czasem, wilgotnością, temperaturą itd. Szkło można natomiast wzmacniać włóknami węglowymi.

112