Monen materiaalin muodonmuutos vakiokuormituksessa kasvaa hitaasti ajan mukana. Tämän ajasta riippuvan ns. viskoosin muodonmuutoksen seurauksena voi olla materiaalin pettäminen. Säiliöt, putket ja vakionopeudella pyörivät roottorit ovat esimerkkejä tuotteista, joiden mitoituksessa viskoosit muodonmuutokset ja niiden seuraukset on otettava huomioon.

6.6.1   Virumisilmiö

Vakiokuormituksessa tapahtuvaa muodonmuutoksen hidasta kasvua kutsutaan virumiseksi. Kuvan 6.34 mukaisesti materiaalin pettämiseen johtava virumistapahtuma on tyypillisesti kolmivaiheinen. Alussa viruminen on voimakasta. Tätä seuraa tasaisen virumisen vaihe, minkä jälkeen viruminen kiihtyy, kunnes kappale lopulta pettää. Virumisnopeus riippuu kuormitustasosta ja ympäristöolosuhteista. Lämpötilan nousu kiihdyttää virumista samaan tapaan kuin kuormitustason nousu (kuva 6.34). Alhaisella kuormitustasolla viruminen on hidasta eikä käytännössä johda pettämiseen. Jos kuormitus poistetaan ennen rakenteen pettämistä, ainakin osa muodonmuutoksesta palautuu.

Kuva 6.34 Materiaalin tyypillinen virumismuodonmuutos.

Mikäli viskoelastista materiaalia kuormitetaan vakiojännityksen sijasta vakiomuodonmuutoksella, materiaalin kantama kuorma alenee hitaasti ajan mukana. Tätä ilmiötä kutsutaan jännitysrelaksaatioksi.

Muovien lujittamiseen yleisimmin käytettyjen lasi- ja hiilikuitujen viskoosi muodonmuutos on käytännössä merkityksetön. Vauriottoman lujitemuovilaminaatin viruminen onkin muoviaineen virumista eli muovin molekyylisegmenttien hidasta liukumista toisiinsa nähden. Kestomuovit, joiden molekyyliketjut eivät ole kemiallisesti toisiinsa sitoutuneet, viruvat selvästi enemmän kuin rakenteeltaan verkkomaiset kertamuovit. Suurilla kuormituksilla osa kasvavasta muodonmuutoksesta johtuu lisääntyvistä mekaanisista vaurioista eli matriisiaineen säröilystä ja kuitu/matriisi-sidosten pettämisestä. Pitkäaikaiskokeissa mitataan yleensä koesauvan koko venymää, jolloin koetuloksena saatavat virumiskäyrät sisältävät sekä viskoosin muodonmuutoksen että vaurioitumisen aiheuttaman muodonmuutoksen.

Laminaatin käyttöympäristöllä – lähinnä lämpötilalla, kosteudella ja kemikaaleilla – voi olla merkittävä vaikutus virumiseen. Vaikutus riippuu laminaatin rakenteesta ja kuormitustavasta. Mikäli kuormitus rasittaa merkittävästi matriisia ja kuitu/matriisi-sidoksia, viruminen kasvaa selvästi lämpötilan ja laminaatin kosteussisällön kohotessa. Jos kuormitus rasittaa pääasiassa lujitekuituja (esim. yhdensuuntaislaminaatin vetokuormitus), viruminen on vähäistä lämpötilasta ja laminaatin kosteussisällöstä riippumatta.

6.6.2   Virumisominaisuudet

Laminaattien virumisominaisuuksista on kokeellista aineistoa hajanaisesti. Kuvassa 6.35 on esimerkki kuormitustason vaikutuksesta katkokuiduilla lujitetun laminaatin virumiseen. Kuvan mukaisesti katkokuitulaminaatin viruminen voi olla voimakasta jo melko alhaisellakin kuormitustasolla. Kuvassa 6.36 on verrattu erityyppisten laminaattien virumista taivutuskuormituksessa. Lujitemuodon ja matriisimuovin vaikutus virumiseen on voimakas. Kuitujen suuntaisuuden vaikutusta virumiseen havainnollistaa kuva 6.37, jossa on esitetty hiilikuitu/epoksi-laminaattien virumiskoetuloksia. Kuorma kokeissa oli valittu siten, että jännitys 0°-kuiduissa oli 80 % niiden vetolujuudesta.

Kuva 6.35 Lasikuitumatolla lujitetun polyesterin virumiskäyriä taivutuskuormituksessa. [9]

Kuva 6.36 Lujitemuodon ja matriisin vaikutus laminaatin murtumisaikaan taivutuksessa. [9]

Kuva 6.37 Hiilikuitu/epoksi-laminaattien virumiskäyriä, kuorma 0°-kuiduissa 80% vetolujuudesta. [10]

Ympäristön vaikutusta laminaatin virumiseen havainnollistaa kuva 6.38, jossa on esitetty lasikuitu/polyesteri-laminaatin elinikä kahdessa eri lämpötilassa. Kuvassa 6.39 on esimerkki kosteuden vaikutuksesta lasikudoksella lujitetun polyesterin elinikään. Kokeet tehtiin huoneenlämpötilassa. Ilman suhteellinen kosteus oli keskimäärin 80 %. Parafiinin käytön tarkoituksena oli estää kosteuden imeytyminen laminaattiin.

Kuva 6.38 Lämpötilan vaikutus lasikuitu/polyesteri-laminaatin elinikään, polyesterin lasittumislämpötila 56°C. [9]

Kuva 6.39 Ympäristön kosteuden vaikutus lasikuitu/polyesteri-laminaattien elinikään. [9]

Laminaattipintaisen kerroslevyn ominaisuudet määräytyvät sen geometriasta sekä pintalaminaatin ja ydinaineen ominaisuuksista. Kerroslevyn mekaaniselle käyttäytymiselle on kuvaavaa eräänlainen työnjako: ideaalisessa kerroslevyssä pintalevyt kantavat levytasossa vaikuttavat kuormat ja levyä rasittavat taivutusmomentit ydinaineen kantaessa levyä vastaan kohtisuorat leikkauskuormat. Tätä havainnollistavat kuvassa 6.64 esitetyt normaali- ja leikkausjännitysjakautumat kerroslevypalkin poikkileikkauksessa. Kerroslevypalkkia verrataankin joskus I-palkkiin, jonka uuma on korvattu heikommalla, mutta koko palkin levyisellä ydinaineella.

Kuva 6.64 Normaali- ja leikkausjännitysjakautumat kerroslevypalkin poikkileikkauksessa.

Kerroslevyn taivutuskäyttäytymisestä on huomattava, että leikkauskuorma aiheuttaa keveään ydinaineeseen liukumia, jotka voivat vaikuttaa merkittävästi rakenteen muodonmuutoksiin. Tekninen taivutusteoria ei enää olekaan suoraan sovellettavissa kerroslevyille. Teknisen taivutusteorian mukaiset muodonmuutokset ja ydinaineen liukumasta aiheutuvat muodonmuutokset voidaan usein määrittää erikseen, kokonaismuodonmuutoksen ollessa näiden osamuodonmuutosten summa.

Kerroslevyn tyypilliset pettämismekanismit on koottu kuvaan 6.65. Pettämisen voi aiheuttaa pintalevyn lujuuden tai ydinaineen leikkauslujuuden ylittyminen. Joskus myös pintojen ja ytimen välinen liimasauma on rakenteen heikoin kohta. Kerroslevy vaurioituu lisäksi helposti paikallisen, paksuussuuntaisen puristuskuorman vaikutuksesta, sillä pintaa tukevan ydinaineen puristusjäykkyys on alhainen. Puristus- ja/tai leikkauskuormitetun kerroslevyn pettämismekanismina voi olla koko rakenteen epästabiliteetin ohella ohuiden pintalevyjen paikallinen lommahtaminen. Tämä pettämismekanismi on mahdollinen myös taivutuskuormituksessa puristuksen alaisessa pinnassa.

Kerroslevyn iskulujuus on luonnollisesti heikompi kuin samanvahvuisen umpirakenteen. Iskulujuus riippuu kerroslevyn rakenteesta, mutta myös levykentän koosta ja tuentatavasta. Iskun vaikutus on todennäköisesti paikallinen, mikäli ydinaineen ja pinnan välinen liimaus on luja ja pintalevyt ovat paksut. Kun pinnat ovat ohuet, ylemmän pintalevyn puhkaiseva isku voi irrottaa alemman pintalevyn ydinaineesta laajalta alueelta. Rakenteen jäännöslujuuden kannalta ensimmäinen vauriomuoto on selvästi jälkimmäistä edullisempi, sillä irronneen pintalevyn alueella kerroslevy ei enää toimi suunnitellulla tavalla.

Kuva 6.65 Kerroslevyn pettämismekanismit.

Kirjallisuutta

1. Halme J., Development Testing of a Composite Wing Rib. Diplomityö, Teknillinen korkeakoulu, Konetekniikan osasto, Otaniemi 2002.
2. Harris B., Engineering Composite Materials, Second Edition. The University Press, Cambridge 1999.
3. Engineered Materials Handbook, Volume 1, Composites. ASM International, USA 1987.
4. Tang J-M., Lee W.I., Springer G.S., Effects of Cure Pressure on Resin Flow, Voids and Mechanical Properties. Journal of Composite Materials, Vol 21, May 1987.
5. Bergmann H.W., & al., Mechanical Properties and Damage Mechanisms of Carbonfiber-Reinforced Composites. DVFLR-FB 88-41, DVFLR Institut für Strukturmechanik, Braunschweig 1988.
6. Johnson A.F., Engineering Design Properties of GRP. British Plastics Federation, Publication 215/1.
7. Reifsnider K.L. (Ed.), Fatigue of Composite Materials. Composite Materials Series, 4, Elsevier Science Publishers B.V., Netherlands 1991.
8. Pritchard G. (Ed.), Developments in Reinforced Plastics – 2. Applied Science Publishers, London 1982.
9. Bott T.R., Barker A.J., Creep in Glass Fiber Reinforced Plastics. Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 59, No. 7, July 1967.
10. Sturgeon J.B., Creep of Fiber Reinforced Thermosetting Resins. Institute of Mechanical Engineering, London 1978. (In Creep of Engineering Materials, Ed. Pomeroy C.D.)
11. Lindroos V., Sulonen M., Veistinen M., Uudistettu Miekk-ojan metallioppi. Otava, Keuruu 1986.
12. Engineering Plastics, LNP Product data, The Netherlands 1985.
13. Matthews F.L., Joining Fibre-Reinforced Plastics. Elsevier Applied Science Publishers Ltd, England 1987.
14. Tsai S.W., Composites Design. Think Composites, USA 1987.
15. Brander T., Karlemo T., Saarela O., Lujitemuovilaminaattien pultti- ja niittiliitokset – staattiset lujuusominaisuudet. Teknillinen korkeakoulu, Kevytrakennetekniikan laboratorio, Raportti 90-B17, Otaniemi 1990.
16. Wiedemann J., Leichtbau Band 2: Konstruktion. Springer-verlag, Berlin 1989.
17. Thrall E.W., Shannon R.W., Adhesive Bonding of Aluminum Alloys. Marcel Dekker Inc, USA 1985.

Komposiitin rakenteellinen toimivuus perustuu aineosien välisiin liimaliitoksiin. Liimaus on luonnollinen tapa myös osien liittämiseen, mikäli liitoksen ei tarvitse olla purettava. Monesti purettavuus on kuitenkin välttämätöntä. Tällöin osat liitetään toisiinsa mekaanisin liitoksin.

6.9.1   Mekaaniset liitokset

Komposiittirakenteiden mekaaniset liitokset ovat periaatteessa samanlaisia kuin metallirakenteissa, ts. pultti- niitti- ja ruuviliitoksia sekä erilaisia pikaliitoksia. Liitosten ominaisuudet ovat kuitenkin jossain määrin erilaisia johtuen komposiittimateriaalien hauraudesta ja lujuusominaisuuksien suuntaisuudesta.

Liitostyypit ja liitoksen pettämismekanismit

Tavanomaisimpia mekaanisia liitoksia ovat leikkausliitokset. Näistä yksinkertaisimpia ovat yksi- ja kaksipuoliset limi- ja palstaliitokset (kuva 6.46). Liitosalueen geometrian määrittelevät kuvan 6.47 mukaisesti reikäkoko, liittimien reunaetäisyydet ja liittimien väliset etäisyydet.

Kuva 6.46 Kaksi- ja yksipuolinen mekaaninen limi- ja palstaliitos.

Kuva 6.47 Liitosalueen geometriset määrittelyt.

Liitoksen pettämistapa riippuu materiaaleista, kuitusuuntauksista ja liitosgeometriasta. Kuvan 6.48 mukaisesti mahdollisia pettämismekanismeja ovat:

(1)  levyn vetokannasten murtuma,

(2)  levyn leikkauskannaksen murtuma,

(3)  levyn halkeaminen eli veto- ja leikkauskannaksen murtuman yhdistelmä,

(4)  liitinreiän reunan murtuma eli reunapuristusmurtuma,

(5)  liittimen läpiveto, ja

(6)  liittimen pettäminen.

Kuva 6.48 Mekaanisen liitoksen pettämismekanismit.

Liitoksen kantavuus

Laminaattien välisen liitoksen kantavuuteen vaikuttaa oleellisesti liitettävän laminaatin rakenne. Vetokannasten kestävyyteen vaikuttavat eniten laminaatin vetolujuus ja suhteellinen reunaetäisyys w/d (ks. kuva 6.47). Leikkauskannaksen kestävyys taas riippuu eniten laminaatin leikkauslujuudesta ja suhteellisesta reunaetäisyydestä e/d (ks. kuva 6.47). Halkeamiskestävyyteen vaikuttavat kummatkin reunaetäisyydet sekä laminaatin lujuudet pituussuunnassa, poikittaissuunnassa ja leikkauksessa. Reunapuristusmurtuman aiheuttava kuorma riippuu lähinnä laminaatin puristuslujuudesta, liittimen ja reiän välisestä toleranssista ja liittimen kiristyksestä. Liittimen läpiveto on todennäköinen pettämistapa erityisesti, kun liittimen kannat ovat pienet eikä aluslevyjä käytetä. Liittimen kestävyyteen vaikuttavat luonnollisesti liitosgeometrian ohella liittimen halkaisija ja materiaali. Geometrialtaan normaaleissa liitoksissa liitin on varsin harvoin liitoksen heikoin lenkki.

Laminaattirakenteen vaikutusta liitoksen pettämismuotoon havainnollistaa kuva 6.49, jossa on esitetty [0/45/-45]SE-tyyppisen laminaatin lujuus ja pettämismuoto ±45-kerrosten suhteellisen osuuden funktiona. Reunaetäisyydet liitoksessa ovat e/d = w/d = 4. Kuvan mukaisesti leikkauskannas pettää ensimmäisenä, kun ±45-kerrosten suhteellinen osuus on pieni eli laminaatin leikkauslujuus alhainen. Vetokannakset taas pettävät ensin kun ±45°-kerrosten suhteellinen osuus on suuri eli laminaatin vetolujuus alhainen. Kun ±45°-kerrosten suhteellinen osuus valitaan sopivasti, pettäminen tapahtuu reunapuristusmurtumana.

Kuvissa 6.50 ja 6.51 on esitetty eräiden hiilikuitu/epoksi-laminaattien mekaanisen liitoksen lujuus reunaetäisyyksien w/d ja e/d funktiona. Lujuus on esitetty reunapuristusjännityksenä liitoksen pettämishetkellä. Vastaavat esitykset lasikuitu/epoksi-laminaattien mekaanisen liitoksen lujuudelle ovat kuvissa 6.52 ja 6.53. Kuvaajien nouseva osa osoittaa alueen, jolla pettäminen tapahtuu kannaksen murtumana. Vaakasuoralla osuudella pettämismuoto on reunapuristusmurtuma, johon kannaksen leventäminen ei enää vaikuta. Kuvan 6.50 mukaisesti ±45°-tyyppisellä hiilikuitu/epoksi-laminaatilla reunaetäisyyden w/d on oltava yli 5, jotta kannakset eivät pettäisi ennen reunapuristusmurtumaa. Kuvan 6.51 mukaisesti reunaetäisyyden e/d on oltava samaa suuruusluokkaa, jotta suhteellisesti vähiten ±45°-kerroksia sisältävä laminaattikin kestäisi reunapuristusmurtumaa vastaavan kuorman ilman leikkauskannaksen murtumaa. Lasikuitulujitettujen laminaattien liitoksissa tarvittavat reunaetäisyydet ovat samaa suuruusluokkaa (kuvat 6.52 ja 6.53).

Kuva 6.54 esittää eri materiaaleista valmistettujen laminaattien liitoslujuuksia reunaetäisyyden w/d funktiona. Kuvan mukaisesti raaka-aineiden vaikutus reunapuristuslujuuteen on merkittävä. Kuvan 6.55 mukaisesti reunapuristuslujuuteen vaikuttaa oleellisesti myös liittimen kiristysvoima.

Lopuksi on huomattava, että liitoksen kuormittuminen ja kantavuus riippuvat materiaalien ohella merkittävästi liitoksen geometriasta. Erityisesti pitkissä liitoksissa liittimet kuormittuvat hyvin epätasaisesti, ellei kuormittumista tasoiteta esim. liitettäviä levyjä viistämällä (kuva 6.56).

Kuva 6.49 [0/45/-45]SE-tyyppisen hiilikuitu/epoksi-laminaatin lujuus ja pettämismuoto ±45-kerrosten suhteellisen osuuden funktiona. [13]

Kuva 6.50 Hiilikuitu/epoksi-laminaattien mekaanisen liitoksen lujuus reunaetäisyyden w/d funktiona. [14]

Kuva 6.51 Hiilikuitu/epoksi-laminaattien mekaanisen liitoksen lujuus reunaetäisyyden e/d funktiona. [14]

Kuva 6.52 Lasikuitu/epoksi-laminaattien mekaanisen liitoksen lujuus reunaetäisyyden w/d funktiona. [13,15]

Kuva 6.53 Lasikuitu/epoksi-laminaattien mekaanisen liitoksen lujuus reunaetäisyyden e/d funktiona. [13,15]

Kuva 6.54 Eri materiaaleista valmistettujen laminaattien mekaanisen liitoksen lujuus reunaetäisyyden w/d funktiona. [13]

Kuva 6.55 0°/±45°-tyyppisten hiilikuitu/epoksi-laminaattien mekaanisen liitoksen reunapuristuslujuus ruuvin kiristysvoiman (-momentin) funktiona. [14]

Kuva 6.56 Peräkkäisten liittimien kuormittuminen mekaanisessa liitoksessa.

6.9.2   Liimaliitokset

Liimasaumat suunnitellaan siirtämään kuormia osasta toiseen leikkauksella. Liima-aineiden oleellisimpia ominaisuuksia ovatkin tarttuvuuden ohella leikkausjäykkyys ja -lujuus. Sauman kärkeen kohdistuu useimmiten repiviä/kuorivia kuormia, mistä syystä liiman tulisi olla myös joustavaa ja kantaa kohtuullisesti vetokuormaa. Yhteenveto yleisimpien liima-aineiden ominaisuuksista on esitetty kappaleessa 3.7.

Liitostyypit ja liitoksen pettämismekanismit

Laminaattien liimaliitokset ovat tavallisesti limisaumoja tai palstasaumoja. Joskus lujitemuovirakenteita liitetään toisiinsa myös laminoimalla, jolloin sauma on palstasauman tyyppinen. Esimerkkejä liitostavoista on kuvassa 6.57.

Kuva 6.57 Liimaliitoksia.

Liimaliitoksen pettämisen voi aiheuttaa liima-aineen lujuuden ylitys, jolloin murtumaa kutsutaan koheesiomurtumaksi. Adheesiomurtumalla tarkoitetaan liima-aineen ja liimattavan pinnan välisen tartunnan pettämistä. Mikäli laminaatin kerrostenvälinen leikkauslujuus on alhainen, liimattu kohta voi pettää myös laminaatin sisältä kerrostenvälisenä murtumana (kuva 6.58).

Kuva 6.58 Liimaliitoksen pettäminen laminaatin kerrostenvälisenä murtumana.

Liitoksen kantavuus

Liimasauman kuormittuminen riippuu voimakkaasti sauman geometriasta. Kuvan 6.59 mukaisesti liimasauma kuormittuu aina eniten päistään. Lyhyessä liimasaumassa jännitysjakautuma on suhteellisen tasainen pitkän sauman ollessa keskiosaltaan vain vähän kuormitettu. Geometrisista syistä tukematonta epäsymmetristä liimasaumaa rasittaa myös taivutus, joka aiheuttaa sauman päihin repiviä kuormia (kuva 6.60). Taivutusmomentti ja repimisefekti ovat sitä voimakkaampia, mitä epäsymmetrisempi sauma on.

Kuva 6.59 Liimaliitoksen pituuden vaikutus sauman leikkausjännitysjakautumaan.

Kuva 6.60 Taivutuksen aiheuttama repimisefekti epäsymmetrisessä liimasaumassa.

Sauman leikkausjännitysjakaumaa voidaan arvioida laskennallisesti kohtuullisella tarkkuudella. Lyhyen sauman kuormittumista voidaan karkeasti arvioida olettamalla liimattavat levyt jäykiksi ja leikkausjännitys saumassa vakioksi. Saumaa rasittavaksi keskimääräiseksi leikkausjännitykseksi saadaan näin

                                                                                                                    (6.17)

missä P on saumaa rasittava kuorma, b on sauman leveys ja l sauman pituus.

Pitkän liimasauman leikkausjännitysjakaumaa voidaan arvioida olettamalla liimattavat levyt puhtaasti veto- tai puristusrasitetuiksi ja liima-aine puhtaasti leikkausrasitetuksi. Levyn ja liima-aineen oletetaan lisäksi käyttäytyvän lineaariselastisesti eli venymät ja liukuma oletetaan suoraan verrannollisiksi jännityksiin.

Merkitsemällä kuvan 6.61 mukaisesti liimattavien levyjen paksuuksia t₁:llä ja t₂:lla, liimasauman paksuutta h:lla, liimattavien levyjen kimmomoduleja E₁:llä ja E₂:lla sekä liima-aineen liukumodulia G:llä, saadaan pitkän liimasauman leikkausjännitykselle kuvan 6.61 koordinaatistossa [16]

                                            (6.18)

missä

                                                           (6.19a,b)

Kun liimattavat levyt ovat samaa materiaalia (E₁ = E₂ = E) ja saman paksuiset (t₁ = t₂ = t), lauseke (6.18) supistuu muotoon

                                                              (6.20)

Lausekkeen (6.20) mukaisesti pitkän sauman keskellä (x = 0) leikkausjännitys t » 0. Sauma pidentyessä leikkausjännitys sauman päässä lähenee arvoa

                                                                              (6.21)

Kuva 6.61 Leikkausjännitysjakautuman määrityksessä käytetty liimasauman määrittely.

Kun liimasauman kuormitusta nostetaan, liima-aine alkaa myötää. Jännitystilaa myötämisen alettua arvioidaan tavallisesti olettamalla myötävän liima-aineen käyttäytyvän ideaaliplastisesti (kuva 6.62). Tällä oletuksella liimasauman päähän syntyy myötämisen kautta tasaisesti kuormaa kantava alue (kuva 6.63), joka pitenee kunnes sauma pettää, kun liukuma sauman päissä saavuttaa murtoa vastaavan arvon. Malliin perustuva murtokuorman arviointi on esitetty mm. lähteessä [17].

Kuva 6.62 Liima-aineen tyypillinen leikkausjännitys/liukuma-käyrä ja sen ideaalinen elastisplastinen approksimaatio.

Kuva 6.63 Leikkausjännitysjakautuma osittain plastisoituneessa liimasaumassa, kun liima-aine on oletettu ideaalisesti elastisplastiseksi.

Puristemassoista valmistettujen komposiittien ja lyhyillä kuiduilla lujitettujen kestomuovien mekaaniset ominaisuudet jäävät selvästi jatkuvilla kuiduilla lujitettujen laminaattien ominaisuuksia alhaisemmiksi. BMC-massoista valmistettujen komposiittien ominaisuuksia on koottu taulukoihin 6.16 ja 6.17. Tuloksista on huomattava, että käytetyssä koemuotissa kuidut suuntautuivat melko voimakkaasti koekappaleen suuntaisiksi. Lujituksen vaikutuksia eri kestomuovien ominaisuuksiin havainnollistaa taulukko 6.18.

Taulukko 6.16 Eri kuiduilla lujitetun epoksi-BMC:n ominaisuuksia. [3]

Taulukko 6.17 Hartsityypin ja lasikuidun kuitupituuden vaikutus BMC:n ominaisuuksiin. [3]

Taulukko 6.18 Lujitettujen ja täytettyjen kestomuovien ominaisuuksia. [12]

Lujitteena lasikuitu ellei toisin mainita

CF = hiilikuitu

* = talkki

Taulukko 6.18 (jatkuu) Lujitettujen ja täytettyjen kestomuovien ominaisuuksia. [12]

Lujitteena lasikuitu ellei toisin mainita

CF = hiilikuitu

* = talkki                                                                                                      

Taulukko 6.18 (jatkuu) Lujitettujen ja täytettyjen kestomuovien ominaisuuksia. [12]

Lujitteena lasikuitu ellei toisin mainita

CF = hiilikuitu                                                                    

* = talkki                                                 

6.7.1   Loviherkkyys

Käytännön rakenteisiin joudutaan aina tekemään reikiä ja lovia, joiden ympäristössä esiintyy nimellistasoa korkeampia jännityksiä. Reiän tai loven ympäristön suurimman jännityshuipun suhdetta nimellisjännitykseen kutsutaan loven muotoluvuksi:

                                                                                                                (6.16)

Muodoltaan yksinkertaisen reiän tai loven muotoluku voidaan määrittää analyyttisesti, mikäli materiaali käyttäytyy lineaariselastisesti. Kun tarkastellaan esimerkiksi pyöreää reikää isotrooppisessa levyssä, loven muotoluvuksi aksiaalikuormituksessa saadaan a = 3. Jännityshuippu esiintyy reiän sivussa (kuva 6.40). Reiästä poispäin siirryttäessä jännitys laskee nopeasti nimellistasolle.

Kuva 6.40 Jännitys isotrooppiseen levyyn tehdyn pyöreän reiän ympäristössä aksiaalikuormituksessa.

Suunnatuilla kuiduilla lujitetuilla laminaateilla loven muotoluku riippuu geometrian ohella laminaatin rakenteesta. Esimerkiksi pyöreän reiän muotoluku voi erota huomattavasti edellä mainitusta arvosta 3. Tätä havainnollistaa kuva 6.41, jossa on esitetty paikallisen jännityksen ja nimellisjännityksen suhde hiilikuitu/epoksi-yhdensuuntaislaminaattiin tehdyn reiän ympärillä, kun laminaattiin kohdistuu aksiaalinen vetokuormitus. Suhdeluvun kuvaama paikallinen jännitys on reiän reunan tangentin suuntainen jännitys, joka muuttuu kuvan mukaisesti kierrettäessä reikää sivulta sivulle. Huippujännityksen nähdään tarkastelutapauksessa olevan yli kuusinkertainen nimellisjännitykseen verrattuna. Joillakin laminaateilla jännityshuippu voi olla vieläkin suurempi.

Kuvan 6.41 tulos perustuu analyyttiseen ratkaisuun. Lovetun laminaatin jännityshuiput voidaan muissakin tapauksissa määrittää laskennallisesti, joko analyyttisin tai numeerisin menetelmin. Jännityshuipun vaikutusta laminaatin kestävyyteen voidaan myös arvioida laskennallisesti. Arviot ovat kuitenkin epätarkkoja, mistä syystä lovettujen laminaattien kestävyyttä mitataan paljon myös kokeellisesti. Vaikutusten arvioinnissa on aina otettava huomioon laminaattien hauraus eli se, että loven ympäristön jännitystila pääsee tasaantumaan vain laminaatin paikallisen rikkoutumisen kautta. Mekanismi on erilainen kuin perinteisissä metallirakenteissa, joissa suuret huippujännitykset tasaantuvat materiaalin myötämisen kautta kuormitustasoa nostettaessa.

Kuva 6.41 Tangentiaalijännityksen ja nimellisjännityksen suhde hiilikuitu/epoksi-yhdensuuntaislaminaattiin tehdyn pyöreän reiän reunalla aksiaalikuormituksessa.

6.7.2   Iskunkestävyys

Suurten normaalikuormien ohella erityisesti iskukuormat aiheuttavat rakenteisiin paikallisia vaurioita. Rakenteen kykyä kestää iskuja kutsutaan yleisesti iskunkestävyydeksi. Iskunkestävyys ei ole puhdas materiaali- tai laminaattitekninen suure, sillä iskuvaste riippuu myös laminaatin koosta ja tuentatavasta erityisesti, kun iskevän esineen nopeus on suhteellisen pieni (kuva 6.42b). Kun iskevän esineen nopeus kasvaa, rakenteen koon ja tuennan merkitys vähenee (kuva 6.42a). Iskuvaurioon vaikuttavat lisäksi iskevän kappaleen massa, muoto ja koko.

Kuva 6.42 Rakenteen vaste iskukuormaan.

Laminaattien iskunkestävyyttä on tutkittu varsin paljon, koska laminaatit ovat hauraita ja vaurioituvat helposti iskun vaikutuksesta. Iskunkestävyyttä tutkitaan kokeellisesti mittaamalla iskun aiheuttaman vaurion suuruutta ja vaurion seurauksia. Kokeissa varioidaan iskupään massaa, muotoa ja nopeutta sekä usein myös koekappaleen kokoa ja tuentatapaa. Parametrit määritetään siten, että iskut vastaavat pahimpia mahdollisia iskuja, joita rakenne voi käytännössä kokea.

Kuvan 6.43 mukaisesti laminaattiin kohdistuva suhteellisen matalaenerginen isku aiheuttaa tyypillisesti matriisin sisäistä säröilyä ja delaminoitumista. Iskupinta ei juuri vaurioidu. Voimakkaammat iskut aiheuttavat lisäksi kerrosvaurioita, joita tyypillisesti esiintyy ensin vastakkaisella pinnalla, mihin isku kohdistuu. Kun isku on riittävän voimakas, vaurio näkyy myös iskupinnalla. Ääritapauksessa iskevä esine läpäisee laminaatin.

Kuva 6.43 Iskun aiheuttamia laminaattivaurioita.

Laminaatin iskunkestävyyteen vaikuttavat ensisijaisesti lujitekuidun jäykkyys ja matriisimuovin ominaisuudet. Tyypillisesti kertamuovit ovat kestomuoveja hauraampia ja näin vaurioherkempiä. Tosin kertamuovienkin sitkeyttä on viime aikoina pystytty huomattavasti parantamaan seosaineilla. Tavallisesti iskuvaurio alentaa eniten laminaatin puristuslujuutta. Vaikutusta havainnollistaa kuva 6.44, jossa on vertailun vuoksi esitetty myös delaminaation, reiän ja huokoisuuden vaikutus laminaatin puristuslujuuteen. Iskuvaurion nähdään alentavan puristuslujuutta eniten. Merkillepantavaa on myös se, että iskupinnalla tuskin näkyvä vaurio voi alentaa puristuslujuuden jo alle puoleen ehjän laminaatin arvosta.

Kuva 6.44 Esimerkki delaminaation, reiän, huokoisuuden ja iskuvaurion vaikutuksesta laminaatin puristuslujuuteen.

6.7.3   Energia-absorptio

Materiaalien ja rakenteiden energian absorptiokykyä vertailtaessa on tarkasteltava erikseen elastista ja ei-elastista absorptiota. Elastisella absorptiolla tarkoitetaan materiaalin tai rakenteen kykyä sitoa energiaa ilman vaurioitumista tai pysyvää muodonmuutosta. Ei-elastisella absorptiolla tarkoitetaan rakenteen maksimaalista kykyä absorboida energiaa.

Jatkuvilla kuiduilla lujitettujen muovikomposiittien rakennepainoon suhteutettu elastinen energian absorptiokyky on tietyn tyyppisissä rakenteissa ja kuormitustilanteissa hyvä. Ominaisuutta hyödynnetään erilaisissa jousissa (mm. lehtijouset ja urheilijoiden hyppyseipäät). Myös laminaattipaneelit pystyvät vastaanottamaan melkoisia energioita ilman merkittäviä vaurioita.

Komposiittirakenteen ei-elastinen energian absorptiokyky on pääsääntöisesti huonompi kuin vastaavan metallirakenteen. Materiaaleilla ja kuitusuuntauksilla absorptiokykyä voidaan kuitenkin optimoida niin, että parhaimmillaan komposiittirakenne painoonsa nähden absorboi enemmän energiaa kuin vastaava metallirakenne. Energian sitomistavat ovat kuitenkin erilaiset. Absorptio-ominaisuuksiltaan optimaalinen metalliputki plastisoituu aaltomaiseksi törmäysenergian vaikutuksesta. Lujitemuoviputki taas absorboi energiaa murskautuessaan.

6.7.4   Kemialliset ominaisuudet

Laminaattien kemiallinen kestävyys määräytyy raaka-aineiden ominaisuuksista, joita on kuvattu luvussa 3. Pääsääntöisesti laminaattien kemiallinen kestävyys on hyvä. Tarvittaessa sitä voidaan edelleen parantaa pinnoitteilla.

Hiilikuitulaminaateilla erityisenä kemiallisena ominaisuutena on hiilen jaloudesta johtuva galvaaninen korroosio, joka kosteassa ympäristössä johtaa lujitekuidun kanssa kosketuksissa olevan epäjalon materiaalin syöpymiseen. Käytännössä tällainen kosketustilanne on esimerkiksi mekaanisissa liitoksissa. Korroosio-ongelman välttämiseksi hiilikuitulaminaattien liitoksissa käytetäänkin jaloista materiaaleista, lähinnä titaanista ja ruostumattomasta teräksestä, valmistettuja liittimiä. Materiaalien jalousasteikko merivesiympäristöä vastaten on esitetty kuvassa 6.45.

Kuva 6.45 Materiaalien jalousasteikko merivedessä. [11]

6.7.5   Palavuus

Materiaalien palavuudelle asetetaan tiukkojakin vaatimuksia monilla komposiittien sovellusalueilla. Vaatimusten myötä määritellään menetelmät, joilla materiaalin palavuusominaisuudet mitataan. Tärkeimpiä palavuuteen liittyviä ominaisuuksia ovat syttyvyys, palavuus, palonopeus, savunmuodostus ja palossa syntyvien savukaasujen haitallisuus.

Laminaattien palo-ominaisuudet määräytyvät lähinnä matriisimuovin perusteella.

Luvun 3 mukaisesti matriisimuoveina yleisimmin käytetyt polyesterit ja epoksit ovat modifioimattomina palavia materiaaleja. Niitä on mahdollista modifioida lisäaineilla itsestään sammuviksi (ks. 3.3 Täyte- ja apuaineet). Tyypillisesti lisäaineet kuitenkin vaikeuttavat tuotteen valmistusta esim. kasvattamalla hartsin viskositeettia. Palo-ominaisuuksiltaan parhaita kertamuoveja ovat fenolit. Vastaaviin ominaisuuksiin yltävät eräät kestomuovit.  

6.7.6   Sähköiset ominaisuudet

Kuitulujitettujen laminaattien sähköisiä ominaisuuksia on koottu taulukkoon 6.15. Taulukon mukaisesti lasi- ja aramidikuitulujitetut laminaatit ovat sähköeristeitä. Hiilikuitujen sähkönjohtavuus on kohtuullinen. Laminaattien sähkönjohtavuus on kuitenkin huonohko, sillä kuituja ympäröi eristävä matriisimuovi. Eri materiaalien sähköisiä ominaisuuksia on tarkemmin kuvattu luvussa 3.

Erityisesti lasikuitulujitettujen laminaattien sähköneristävyyttä hyödynnetään monissa sovellutuksissa, mm. sähkölaitteiden tuki- ja suojarakenteissa. Hiilikuituja on pyritty hyödyntämään rakenteen sisään integroituina lämpövastuksina.

Mikäli laminaattirakenteelta edellytetään hyvää sähkönjohtokykyä, se voidaan luoda keinotekoisesti esim. metallipartikkeleilla täytetyillä pinnoitteilla tai rakenteen ulkopintaan laminoidulla metalliverkolla. Myös metallipinnoitteisia lujitekuituja on saatavilla.

Sähköisten ominaisuuksien osalta on huomattava, että niihin vaikuttavat oleellisesti myös ympäristöolosuhteet ja laminaattiin absorboitunut kosteus.

Taulukko 6.15 Kudoslaminaattien sähköisiä ominaisuuksia.

Monet tuotteet joutuvat käytössä toistuvaan kuormitukseen niin, että kuormitussyklien määrä tuotteen eliniän aikana voi nousta miljooniin. Rakennemateriaali tai materiaaliyhdistelmä voi toistuvan kuormituksen vaikutuksesta heikentyä ja lopulta pettää. Tätä ilmiötä kutsutaan yleisesti väsymiseksi.

Materiaalien ja materiaaliyhdistelmien väsymistä mitataan useimmiten kohdistamalla koekappaleeseen sinimuotoisesti vaihteleva kuorma (kuva 6.26). Kokeet ovat pääasiassa veto- tai veto/puristus-kokeita, joskus myös taivutuskokeita. Kuormitus ilmaistaan kahdella parametrilla, jotka voivat olla keskijännitys σ_m ja jännitysheilahdus σ_h. Usein parametreina käytetään myös maksimijännitystä σ_max sekä minimi- ja maksimijännityksen suhdetta R = σ_min/σ_max. Kun R = 0, kyseessä on niin sanottu vetoväsytys.

Kuva 6.26 Sinimuotoinen väsyttävä kuorma.

Väsytyskokeessa mitataan, montako kuormitussykliä materiaali kestää määritellyllä kuormituksella. Yhdessä koesarjassa keskijännitys σ_m tai jännityssuhde R pidetään vakiona ja maksimijännitystä muutetaan. Toisinaan koe keskeytetään ja määritetään koesauvan vaurioitumisaste ja/tai staattinen jäännöslujuus. Vaurioitumisastetta voidaan kuvata optisesti määritettynä säröjen lukumääränä koesauvan pituusyksikköä kohti.

Väsytyskoesarjan tulokset kootaan usein ns. SN-käyräksi, joka ilmaisee materiaalin lujuuden kuormitusten lukumäärän funktiona määriteltyä keskijännitystä σ_m tai jännityssuhdetta R vastaten. Kuormitusten lukumäärä voidaan esittää logaritmisella asteikolla, jolloin monien materiaalien väsymislujuuden kuvaaja on ainakin suurelta osin suora. Kuvassa 6.27 on esimerkkinä lasikuitulujitetuille laminaateille vetoväsytyksessä jännityssuhteella R = 0,1 mitattuja SN-käyriä.

Kuva 6.27 Erityyppisten E-lasikuiduilla lujitettujen laminaattien SN-käyriä, vetoväsytys, R = 0,1. [2]

6.5.1   Väsymisilmiö

Toistuvan kuorman vaikutus yleisimpiin lujittaviin kuituihin on varsin vähäinen.

Kuitulujitetun muovin väsyminen onkin lähinnä muoviaineen heikkenemistä ja hidasta mekaanisten vaurioiden kasvua.

Väsymisvaurioitumisen vaiheita havainnollistaa kuva 6.28, jonka mukaisesti vauriot eliniän alkuvaiheessa ovat lähinnä matriisisäröjä. Toisessa vaiheessa säröt alkavat yhdistyä eli syntyy suurempia säröjä. Näiden ohella esiintyy kuidun ja matriisin välisten sidosten pettämistä ja kuitukatkeamia. Kolmannessa vaiheessa säröt yhdistyvät myös laminaatin tason suunnassa kerrosten väliin syntyvien delaminaatioiden kautta. Neljännessä vaiheessa säröalueet yhdistyvät synnyttäen suurempia delaminaatioita.

Lujitteen vaikutus väsymiseen

Kuvassa 6.30 on esitetty yleisimmillä kuiduilla lujitetuille ristikkäislaminaateille vetokuormituksessa kuormitussuhteella R = 0,1 mitatut SN-käyrät. Väsymiskestävyyttä kuvaavana suurena on murtovenymä. Kuvan perusteella voidaan tehdä seuraavat yleisluontoiset johtopäätökset:

• Lasikuitulujitettu laminaatti (GRP) väsyy merkittävästi. Venymätaso, jolla laminaatti kestää 10⁶ kuormituskertaa on alle 1 %, kun laminaatin murtovenymä staattisessa kuormituksessa on lähes 4 %. Syy väsymiseen on ilmeinen: korkea venymätaso aiheuttaa runsaasti matriisisäröjä, minkä seurauksena kuvassa 6.28 esitetty väsymisprosessi etenee nopeasti.
• Kun kuormitusten määrä esitetään logaritmisella asteikolla, lasikuiduilla lujitetun laminaatin väsymislujuuden kuvaaja on likimain lineaarinen välillä 10⁰ – 10⁵ kuormituskertaa. Toisaalta väsymislujuus ei enää alene merkittävästi, kun kuormitusten määrä on yli 10⁶.
• Hiilikuitulujitetun laminaatin (CFRP) väsyminen on selvästi vähäisempää kuin lasikuitulaminaatin, mihin ilmeisenä syynä on laminaatin alhaisempi venymätaso. Väsymislujuuden kuvaaja on kuvan asteikolla likimain lineaarinen aina 10⁷ kuormituskertaan asti.
• Aramidikuiduilla lujitettu laminaatti (KFRP) on jäykkyydeltään ja samalla väsymiskestävyydeltään hiili- ja lasikuitulujitettujen laminaattien välillä, kun kuormitussyklien määrä on pieni. Merkittävää on kuitenkin se, että käyrä on kuvan asteikolla laskeva eli väsyminen alkaa ”kiihtyä” noin 1000 kuormituskerran kohdalla. Lasku voimistuu kuormituskertojen määrän kasvaessa.

Kuva 6.30 Ei lujitekuiduilla lujitettujen ristikkäislaminaattien väsymislujuudet, vetoväsytys, R = 0,1. [2]

Laminaattirakenteen vaikutus väsymiseen

Kuvassa 6.27 esitetty esimerkki havainnollistaa laminaattirakenteen vaikutusta väsymislujuuteen aksiaalikuormituksessa. Kestävyydeltään paras on selvästi lujitteiden suunnassa kuormitettu yhdensuuntaislaminaatti. Toisaalta 0°/±45°-tyyppisen laminaatin SN-käyrä on hitaammin laskeva, mikä johtuu siitä, että laminaatin vaurioituminen on yhdensuuntaislaminaattiin verrattuna tasaisempaa. Kuvan kudoslaminaatin nähdään olevan selvästi prepreg-laminaatteja heikompi sekä staattisessa että väsyttävässä kuormituksessa. Katkokuiduilla lujitettujen laminaattien ominaisuudet ovat ymmärrettävistä syistä heikoimmat.

6.5.2   Väsymislujuus

Kaupallisista materiaaleista valmistettujen muovikomposiittien väsymisominaisuuksia on tutkittu vaihtelevasti. Hiili- ja lasikuitulujitettuja epokseja, fenoleja, bismaleimidejä ja polyimidejä käytetään yleisesti lentokone- ja avaruusteollisuudessa, jossa materiaalin käyttäytyminen on tunnettava tarkoin. Materiaalien väsymisominaisuuksista onkin melko runsaasti koetuloksia mm. monissa kirjallisuusluettelossa mainituissa teoksissa. Näiden käytön tekee ongelmalliseksi väsymiskäyttäytymiseen vaikuttavien parametrien monilukuisuus. Useimmiten oman suunnitelman kannalta edustavia väsytyskoetuloksia ei olekaan saatavilla.

Lasikuitulujitettujen polyesterien väsymistä on tutkittu jonkin verran. Eräässä tutkimuksessa on yhdistetty monien lasikuitulaminaattien vetoväsytystuloksia. Tutkimus kattoi matto-, kudos- ja yhdensuuntaislaminaatit sekä SMC- ja kestomuovilaminaatit. Tulosten mukaan laminaattien väsymislujuus alenee noin 10%:lla, kun kuormanvaihtoluku kasvaa yhden dekadin. Tämän mukaan suhteellista vetoväsymislujuutta voidaan karkeasti arvioida kaavalla

                                                                                                             (6.15)

missä σ_s on väsymislujuus, σ_tu staattinen vetomurtolujuus ja B verrannollisuuskerroin, jolle tutkimuksen mukaan on saatu likiarvo σ_tu /B = 10,4. Tutkimuksen koetulokset ja kaavan (6.15) mukainen suora on esitetty kuvassa 6.31.

Kuva 6.31 Lasikuiduilla lujitettujen laminaattien staattisen vetomurtolujuuden σ_tu ja väsymislujuutta kuvaavan vakion B välinen riippuvuus. [8]

6.5.3   Käyttöympäristön vaikutus väsymislujuuteen

Lämpötila ja kosteus vaikuttavat laminaattien väsymisominaisuuksiin erityisesti, kun kuormitus rasittaa merkittävästi matriisimuovia. Tämän osoittavat selvästi kuvan 6.32 koetulokset hiilikuitu/epoksi-laminaatille, jonka kuitusuunnat olivat ±45° kuormitussuuntaan nähden.

Kun matriisin kuormitus pienenee, vähenee myös lämpötilan ja kosteuden vaikutus. Tästä ovat esimerkkeinä kuvan 6.33 hiilikuitu/epoksi-laminaattien väsytyskoetulokset. Pitkäaikaisessa väsyttävässä kuormituksessa ympäristön vaikutus on usein merkittävämpi kuin kuvan 6.33 esimerkissä. Tämä johtuu siitä, että kosteus ja mahdolliset kemikaalit pääsevät väsymissäröjen kautta tunkeutumaan laminaattiin ja heikentämään merkittävästi erityisesti kuitujen ja matriisin välisiä sidoksia.

Kuva 6.32 Lämpötilan ja kosteuden vaikutus hiilikuitu/epoksi-laminaatin väsymislujuuteen, veto/puristus-väsytys, kuitusuunnat ±45° kuormitussuuntaan nähden. [5]

Kuva 6.33 Lämpötilan ja kosteuden vaikutus hiilikuitu/epoksi-laminaatin väsymislujuuteen, vetoväsytys, kuitusuunnat 0°/90°/±45° kuormitussuuntaan nähden. [5]

Laminaattirakenteet ovat tavallisesti ohuita kuorirakenteita, joiden mekaaninen käyttäytyminen määräytyy laminaatin taso-ominaisuuksista. Laminaateista valmistetaan myös palkkeja ja laattoja, joiden suunnittelemiseksi on tunnettava laminaatin vaste taivutuskuormitukseen. Seuraavassa tarkastellaankin erityyppisten laminaattien käyttäytymistä ja mekaanisia ominaisuuksia lyhytaikaisessa taso- ja taivutuskuormituksessa.

6.4.1   Yhdensuuntaislaminaatit

Yhdensuuntaislaminaattien mekaaniset ominaisuudet ovat hyvin suuntautuneet, mistä syystä niiden käyttömahdollisuudet ovat rajalliset. Laminaattien mekaanista käyttäytymistä on silti tutkittu runsaasti, koska niiden tavoin käyttäytyvät yhdensuuntaiskerrokset ovat käyttökelpoisempien laminaattien rakenne-elementtejä. Tarkastelut ovat keskittyneet niin kutsuttuihin peruskuormitustapauksiin, joita ovat aksiaalinen veto, puristus ja leikkaus laminaatin pääkoordinaatistossa sekä laminaatin taivutus pääsuunnissa.

Kuormitus kuitusuunnassa

Lujitekuitujen suuntaisessa vedossa yhdensuuntaislaminaatin kuidut kantavat valtaosan kuormituksesta. Koska kuidut ovat teknisesti täysin kimmoisia, laminaatti ei suurillakaan kuormituksilla metallien tapaan myödä. Jännitysvenymäkuvaaja on lähes lineaarinen murtokuormaan asti (kuva 6.10) ja laminaatti pettää äkkinäisesti.

Laminaatin pettämismekanismi riippuu materiaaleista. Jos matriisi on lujittaviin kuituihin nähden hauras, matriisivauriot lisääntyvät kuormitustason noustessa ja pettäminen tapahtuu, kun laminaatin sisäinen vaurioitumisaste saavuttaa kriittisen rajan. Tämä pettämistapa on tyypillinen lasikuitulujitetuille laminaateille kuitujen korkean murtovenymän johdosta. Jäykillä kuiduilla lujitetut yhdensuuntaislaminaatit, esim. hiilikuitulujitetut laminaatit, pettävät tavallisesti vasta, kun kuidut ovat kuormittuneet keskimääräiseen murtolujuuteensa.

Kuva 6.10 Yhdensuuntaislaminaatin jännitysvenymäkuvaajat vedossa ja puristuksessa kuitujen suunnassa ja kuituja vastaan kohtisuorassa suunnassa.

Yhdensuuntaislaminaatti käyttäytyy likimain lineaariselastisesti myös kuitujen suuntaisessa puristuskuormituksessa (kuva 6.10). Puristusjäykkyys on likimain sama kuin vetojäykkyys, joskin eräille materiaaliyhdistelmille on mitattu toisistaan melko selvästi poikkeavia puristus- ja vetojäykkyyden arvoja. Eroavaisuuksia aiheuttaa lähinnä kuitujen epäsuoruus (kuidut oikenevat vetokuormituksessa ja taipuvat sivulle puristuskuormituksessa).

Puristuskuormituksessakin yhdensuuntaislaminaattiin voi syntyä runsaasti mikrovaurioita ennen kuin rakenne lopullisesti pettää. Syynä lopulliseen pettämiseen voi olla kuitujen puristuslujuuden ylitys. Materiaaleista ja niiden seossuhteista riippuen pettämisen voi aiheuttaa myös kuitujen mikrotason nurjahtaminen tai matriisimuovin halkeilu (kuva 6.11).

Tyypillisin pettämismekanismi on kuitujen nurjahtaminen. Laminaatin puristuslujuus on tällöin alhaisempi kuin vetolujuus. Nurjahtamisen kannalta jäykkä, kuituja hyvin tukeva matriisiaine on joustavaa parempi. Matriisin valinta on kuitenkin aina kompromissi, sillä jäykän ja hauraan matriisiaineen mikrosäröily on voimakkaampaa kuin joustavan matriisin. Nurjahdustaipumus vähenee kuitujen paksuuden kasvaessa. Esimerkiksi paksuilla boorikuiduilla lujitetun rakenteen puristuslujuus on vetolujuutta parempi.

Kuva 6.11 Kuitulujitetun rakenteen pettämismekanismit kuitujen suuntaisessa puristuksessa.

Pettämismekanismista riippumatta kuitulujitetun rakenteen pettäminen kuitujen suuntaisessa puristuskuormituksessa on yleensä äkillinen samaan tapaan kuin vetokuormituksessakin. Poikkeuksen muodostavat aramidi- ja polyeteenikuiduilla lujitetut laminaatit, joiden jännitysvenymäkuvaaja on epälineaarinen samaan tapaan kuin monilla metalleilla. Rakenteessa tapahtuva ilmiö ei kuitenkaan ole myötämistä vaan yhdistettyä matriisiaineen säröilyä ja sitkeiden kuitujen hidasta pettämistä.

Yhdensuuntaislaminaatin poikittaista muodonmuutosta kuvaavan Poissonin vakion arvo on likimain 0,3 lujitekuitujen suuntaisessa kuormituksessa.

Kuormitus poikittaissuunnassa

Kun yhdensuuntaislaminaattia vetokuormitetaan kuituja vastaan kohtisuorassa suunnassa, lujitekuitujen jäykistävä vaikutus on melko vähäinen (kuva 6.10). Kuiduilla ei myöskään ole merkittävää lujittavaa vaikutusta. Epähomogeenisuutensa takia rakenne voi olla jopa heikompi kuin pelkkä matriisimuovi. Jännitysvenymäkuvaajan muoto riippuu materiaaleista ollen kuitenkin likimain lineaarinen (kuva 6.10).

Poikittaissuuntaista puristusta yhdensuuntaislaminaatti kestää paremmin kuin vetoa (kuva 6.10). Jännitysvenymävastaavuus on likimain lineaarinen murtoon asti. Puristuskuormituksessakin kuitujen lujittava vaikutus on vähäinen. Vauriomekanismeina ovat tavallisesti matriisin säröily ja kuitu/matriisi-sidosten paikallinen pettäminen.

Kuituja vastaan kohtisuorassa kuormituksessa kuidut vastustavat tehokkaasti kuitujen suuntaista muodonmuutosta. Poissonin vakio onkin tässä tapauksessa varsin pieni, esimerkiksi 60 t% lujitetta sisältävälle tyypilliselle hiilikuitulaminaatille vain noin 0,02.

Leikkaus laminaattitasossa

Kun yhdensuuntaislaminaattiin kohdistetaan leikkausrasitus laminaattitasossa (kuva 6.12), sekä matriisi että lujitekuidut ovat leikkausrasitettuja. Rakenteen jäykkyys on alhainen, sillä lujitekuidut kantavat tehokkaasti vain veto- ja puristuskuormia. Rakenne alkaa myös pettää varhain ensimmäisten vaurioiden ollessa matriisisäröjä ja kuitu/matriisi-sidosten paikallisia pettämisiä. Jännitysliukumakuvaajassa vaurioituminen ja mahdollinen matriisiaineen myötäminen näkyvät epälineaarisuutena kuvan 6.12 tapaan. Rakenne pettää lopullisesti, kun kriittinen vaurioaste saavutetaan.

Kuva 6.12 Yhdensuuntaislaminaatin jännitysliukumakuvaaja tasoleikkauksessa.

Taivutus

Taivutuskuormituksessa laminaattia rasittaa taivutusmomentin ohella laminaattitasoa vastaan kohtisuora leikkausvoima (kuva 6.13a).

Taivutusmomentti aiheuttaa itseisarvoltaan suurimmat venymät laminaatin pintoihin, joiden välillä venymä muuttuu lineaarisesti. Koska yhdensuuntaislaminaatti on makroskooppisesti homogeeninen ja käyttäytyy pääsuunnissa likimain lineaarisesti, normaalijännitysjakautuma on venymäjakautuman kaltainen (kuva 6.13b).

Leikkausvoima aikaansaa leikkausjännityksen, joka häviää laminaatin pinnoilla ja on maksimissaan laminaatin keskitasossa (kuva 6.13c). Leikkausjännitys aiheuttaa liukumamuodonmuutoksen, joka kasvaa likimain lineaarisesti jännityksen kasvaessa. Koska yhdensuuntaislaminaatin liukumoduli kyseisessä tasossa on alhainen, liukumamuodonmuutos voi suuruudeltaan olla merkittävä verrattuna taivutusmomentin aiheuttamaan (teknisen taivutusteorian mukaiseen) muodonmuutokseen.

Kuva 6.13 Yhdensuuntaislaminaatti taivutuskuormituksessa:

(a) kuormitustilanne

(b) normaalijännitysjakauma

(c) leikkausjännitysjakauma.

Laminaatin pettämismekanismi riippuu taivutusmomentin ja leikkausvoiman keskinäisestä suuruudesta. Mikäli taivutusmomentti on hallitseva kuormituskomponentti, laminaatti pettää, kun veto- tai puristusjännitys pinnassa saavuttaa murtoarvon. Kun laminaattia taivutetaan kuitusuunnassa, murtuma tapahtuu tavallisesti puristuspuolella, koska kuitusuuntainen puristuslujuus on vetolujuutta alhaisempi. Poikittaissuuntaisessa taivutuksessa tilanne on päinvastainen: laminaatin poikittainen vetolujuus on puristuslujuutta alhaisempi, joten murtuma tapahtuu vetopuolella.

Mikäli leikkausvoima on hallitseva kuormituskomponentti, laminaatti pettää, kun sen leikkauslujuus kuormitustasossa saavutetaan. Pettäminen tapahtuu usein kahden kerroksen rajapinnasta, minkä johdosta leikkauslujuutta kutsutaan kerrostenväliseksi leikkauslujuudeksi (InterLaminar Shear Strength, ILSS).

Kimmo- ja lujuusarvot

E- ja R-lasikuiduilla lujitetun yhdensuuntaislaminaatin tyypilliset kimmo- ja lujuusarvot on koottu taulukkoon 6.3 kahta eri lujitepitoisuutta vastaten. Vastaavat arvot on esitetty taulukossa 6.4 kahdelle hiilikuitulujitetulle laminaatille ja taulukossa 6.5 yleisimmällä aramidikuidulla lujitetulle laminaatille. Matriisiaineena kaikissa tapauksissa on epoksi.

Taulukoiden mukaisesti hiilikuitulujitetun laminaatin jäykkyys on moninkertainen vastaavan lujitepitoisuuden omaavaan lasikuitulujitettuun laminaattiin nähden. Lujuusarvoissa erot ovat selvästi pienemmät. Huomionarvoista on lisäksi aramidikuitulujitetun laminaatin alhainen puristuslujuus. Lukuarvot myös havainnollistavat aikaisemmat toteamukset:

• kuitusuunnassa yhdensuuntaislaminaatin vetolujuus on selvästi puristuslujuutta korkeampi
• kuituja vastaan kohtisuorassa suunnassa tilanne on päinvastainen
• koska kuidut ovat rakenteen kantava osa, kuitujen suuntainen lujuus ja jäykkyys kasvavat verrannollisina lujitepitoisuuteen
• poikittaisiin ominaisuuksiin ja leikkausominaisuuksiin lujitepitoisuudella on vain vähäinen vaikutus.

Taulukoissa esitetyt kimmoarvot kuvaavat hyvin myös muilla matriisimuoveilla saavutettavia arvoja, sillä matriisin vaikutus laminaattien jäykkyyteen on vähäinen. Muilla matriisimuoveilla saavutettavat lujuusarvot voivat sen sijaan olla selvästikin taulukoiden arvoja alhaisempia, sillä epoksit ovat tarttuvuudeltaan ja mekaanisilta ominaisuuksiltaan parhaita matriisiaineita.

Taulukko 6.3 E-ja R-lasikuiduilla lujitettujen yhdensuuntaislaminaattien tyypilliset kimmo- ja lujuusarvot, matriisina epoksi. 

Taulukko 6.4 SM- ja IM-hiilikuiduilla lujitettujen yhdensuuntaislaminaattien tyypilliset kimmo- ja lujuusarvot, matriisina epoksi.

Taulukko 6.5 Kevlar 49-aramidikuiduilla lujitettujen yhdensuuntaislaminaattien tyypilliset kimmo- ja lujuusarvot, matriisina epoksi.

6.4.2   Yhdensuuntaiskerroksista valmistetut laminaatit

Kun lujitekerroksia kelataan tai laminoidaan päällekkäin, voidaan kerrossuuntia ja kerrosten pinoamisjärjestystä vaihtelemalla muodostaa samoistakin materiaaleista äärettömän monta eri tavoin käyttäytyvää laminaattia. Käytännössä laminaattirakenne on useimmiten symmetrinen ja balansoitu. Tyypillinen esimerkki on [0°/90°/+45°/-45°]SE-laminaatti, jonka vastetta kuormitukseen seuraavassa tarkastellaan.

Vetokuormitus

Esimerkkilaminaatin käyttäytyminen 0°-suuntaisessa vetokuormituksessa on pelkistettynä kuvan 6.14 mukainen. Epälineaarinen käyttäytyminen johtuu pääosin laminaatin sisäisestä säröilystä, joka alkaa 90°-kerroksissa, kun niiden vetolujuus ylittyy. Vähän myöhemmin säröilyä alkaa esiintyä myös ±45°-kerroksissa. Tavallisesti laminaatti kuitenkin pettää vasta kun 0°-kerrokset ovat kuormittuneet murtolujuuteensa.

Laminaatin säröilyä havainnollistaa kuva 6.15, jonka mukaisesti säröjen määrä 90°-kerroksissa ja ±45°-kerroksissa kasvaa nopeasti kun kerroksen säröilyä aiheuttava kuormitustaso on saavutettu. Säröjen alueella kuormat siirtyvät ympäröivän rakenteen kannettavaksi.

Kuva 6.14 Balansoidun, symmetrisen [0°/90°/+45°/-45°]SE-laminaatin pelkistetty jännitysvenymäkuvaaja 0°-suuntaisessa vetokuormituksessa.

Kuva 6.15 Balansoitu, symmetrinen [0°/90°/+45°/-45°]SE-laminaatti vetokuormituksessa, säröjen kehittyminen 90°- ja ±45°-kerroksissa. [3]

Puristuskuormitus

Puristuskuormituksessa esimerkkilaminaatin käyttäytyminen on selvästi lineaarisempaa kuin vetokuormituksessa, sillä 90°- ja ±45°-kerrokset kestävät vaurioitumatta puristusta paremmin kuin vetoa. Lopullinen pettäminen tapahtuu tässäkin tapauksessa tavallisesti, kun 0°-kerros on kuormittunut murtolujuuteensa.

Leikkauskuormitus

Tarkasteltavan laminaatin 0°- ja 90°-kerrokset ovat leikkauskuormituksessa varsin tehottomia (vrt. kpl 6.4.1). Ristikkäiset ±45°-kerrokset kantavat leikkauskuormaa kuitenkin tehokkaasti kuormittuen pääsuunnissaan vedolla ja puristuksella. Jännitysliukumakuvaaja on likimain lineaarinen kunnes vetokuormitus suunnassa +45° alkaa aiheuttaa matriisisäröjä -45°-kerroksissa (kuva 6.16). Rakenne pystyy tavallisesti vastaanottamaan lisäkuormia kunnes kuitujen suuntainen lujuus +45°- tai -45°-kerroksessa saavutetaan.

Kuva 6.16 Balansoidun, symmetrisen [0°/90°/+45°/-45°]SE-laminaatin pelkistetty jännitysliukumakuvaaja leikkauskuormituksessa.

Taivutus

Taivutusmomentin esimerkkilaminaattiin aiheuttama venymäjakauma on lineaarinen kuten yhdensuuntaislaminaatillakin (kuva 6.17a). Normaalijännitysjakauma on kuitenkin epäjatkuva, koska erisuuntaisten kerrosten jäykkyys taivutussuunnassa on erilainen. Kun kerrokset oletetaan makroskooppisesti homogeenisiksi, normaalijännitysjakautuma on kuvan 6.17b mukainen.

Kuva 6.17 Balansoidun, symmetrisen [0°/90°/+45°/-45°]SE-laminaatin pelkistetty (a) venymä- ja (b) jännitysjakautuma taivutuksessa.

Laminaatin pettämismekanismi riippuu kriittiseen poikkileikkaukseen vaikuttavan leikkausvoiman ja taivutusmomentin keskinäisestä suhteesta. Mikäli leikkausvoima on laminaatin kriittisessä poikkileikkauksessa hallitseva kuormituskomponentti, laminaatin pettämismekanismina on kerrostenvälinen leikkausmurtuma. Mikäli taivutusmomentti on hallitseva kuormituskomponentti, esimerkkilaminaatin ensimmäiset säröt syntyvät vetokuormitettuun 90°-kerrokseen. Laminaatin keskellä olevat ±45°-kerrokset kuormittuvat tässä tapauksessa varsin vähän eivätkä välttämättä ala säröillä ennen kuin laminaatti lopullisesti pettää pintakerroksen lujuuden ylittyessä. Aikaisempien tarkastelujen mukaisesti 0°-suuntaisista pintakerroksista pettää tavallisesti ensimmäisenä puristuskuormitettu kerros.

Huomattakoon lopuksi, että laminaatin vaste taivutuskuormitukseen on voimakkaasti riippuvainen myös kerrosten pinoamisjärjestyksestä. Mikäli esimerkkilaminaattia modifioidaan sijoittamalla 0°-kerrokset laminaatin keskelle, laminaatin taivutusjäykkyys ja -lujuus alenevat oleellisesti.

Kimmo- ja lujuusarvot

Yhdensuuntaiskerroksista muodostettujen laminaattien perustyyppejä ovat symmetriset ristikkäislaminaatit, kulmaladotut laminaatit ja balansoidut laminaatit (vrt. luku 2).

Taulukkoon 6.6 on koottu tasavaltaisten ristikkäislaminaattien laskennallisia kimmo- ja lujuusarvoja. Näistä voidaan yhteenvetona todeta seuraavaa:

• Kimmomoduli kuitusuunnassa on noin puolet yhdensuuntaislaminaatin kimmomodulista kuitusuunnassa.
• Poissonin vakiot ovat pieniä, koska poikittaiset kerrokset vastustavat tehokkaasti poikittaista muodonmuutosta.
• Erityisesti vetokuormituksessa kuormitusta vastaan kohtisuorien kerrosten vaurioituminen alkaa jo alhaisella kuormitustasolla.
• Murtovenymä kuitujen suuntaisessa veto-/puristuskuormituksessa on likimain yhtä suuri kuin yhdensuuntaislaminaatin vastaava murtovenymä kuitusuunnassa.
• Normalisoitu murtojännitys kuitujen suuntaisessa veto-/puristuskuormituksessa on likimain puolet yhdensuuntaislaminaatin vastaavasta murtojännityksestä kuitusuunnassa.
• Liukumoduli ja leikkausjäykkyys ovat käytännössä samat kuin yhdensuuntaislaminaatilla.

Kuvassa 6.18 on esitetty 60 t% lujitetta sisältävän lasikuitulujitetun [+q/-q]SE-laminaatin laskennalliset kimmoarvot E_x, G_xy ja n_xy kerroksen suuntakulman q  funktiona. Kuvan vasemman pystyakselin kohdalla (q = 0°) kerrokset ovat tarkastelukoordinaatiston x-akselin suuntaiset eli arvot vastaavat yhdensuuntaislaminaatin arvoja. Oikealle siirryttäessä kerrosten suuntakulma q kasvaa x-akseliin nähden siten, että oikean pystyakselin kohdalla (q = 90°) kaikki lujitteet ovat tarkastelukoordinaatiston y-akselin suuntaiset. Kimmomodulin E_x nähdään laskevan nopeasti suuntakulman q kasvaessa. Liukumoduli G_xy sen sijaan kasvaa q:n kasvaessa saavuttaen maksiminsa arvolla q = 45°. Tällöin leikkausvoima kuormittaa lujitekuituja vedolla ja puristuksella. Poissonin vakio n_xy saa suurimman arvonsa lähellä arvoa q = 30°.

Kuitusuunnan vaikutus kimmoarvoihin korostuu, kun kuitujen jäykkyys ja/tai kuitupitoisuus kasvaa. Tätä havainnollistaa kuva 6.19, jossa on esitetty lasi-, aramidi- ja hiilikuitulujitettujen [+q/-q]SE-laminaattien laskennalliset kimmomodulit 0°-suunnassa (E_x) suuntakulman q  funktiona lujitepitoisuudella 60 t%.

Taulukko 6.6 Tasavaltaisten 0°/90°-ristikkäislaminaattien laskennallisia kimmo- ja lujuusarvoja, kuitupitoisuus 60 t%, matriisina epoksi. 

Kuva 6.18 Kulmaladotun E-lasikuitu/epoksi-laminaatin kimmomoduli (E_x), liukumoduli (G_xy) ja Poissonin vakio (nu_xy) kuitusuunnan funktiona, V_f = 60 t%.

Kuva 6.19 Lasi-, aramidi- ja hiilikuiduilla lujitettujen [+q/-q]SE-laminaattien laskennalliset kimmomodulit kuitusuunnan funktiona, V_f = 60 t%.

Kuitusuuntien vaikutusta laminaattien lujuuteen selvittää taulukko 6.7, jossa on esitetty kulmaladotun hiilikuitu/epoksi-laminaatin laskennalliset lujuudet vedossa ja puristuksessa eri suuntakulman q arvoilla. Lujuusarvojen symboleissa alaindeksi f viittaa vauriorajaan ja alaindeksi u murtolujuuteen. Lujuusarvojen todetaan kimmomodulien tapaan laskevan nopeasti kulman q kasvaessa. Kun 0° < q <90°, vaurioituminen alkaa ennen laminaattien lopullista pettämistä.

Taulukko 6.7 SM-hiilikuiduilla lujitettujen [+q/-q]SE-laminaattien laskennallisia lujuusarvoja, matriisina epoksi, V_f = 60 t%.

Käytännön kannalta tärkeimpiä laminaatteja ovat 0°-, 90°- ja ±45°-suuntaisia kerroksia sisältävät symmetriset ja balansoidut laminaatit, jotka kantavat kohtuullisen hyvin kaikkia laminaattitasossa vaikuttavia kuormia.

Tavallisimmin käytettyjen 0°/90°/±45°-tyyppisten laminaattien ominaisuudet esitetään usein käyrästöinä, joissa muuttujana on ±45°-kerrosten suhteellinen osuus ja parametreina 0°-kerrosten ja 90°-kerrosten suhteellinen osuus. Kuvassa 6.20 on esitetty tällainen käyrästö 60 t% lujitetta sisältävän hiilikuitu/epoksi-laminaatin vetomodulille 0°-suunnassa (E_x). Kuvassa 6.21 on vastaava käyrästö laminaatin vetolujuudelle 0°-suunnassa. Kuvien mukaisesti sekä jäykkyys että lujuus alenevat nopeasti, kun 0°-kerroksia korva­taan 90°- ja ±45°-kerroksilla.

Kun 0°/90°/±45°-tyyppisen laminaatin kerrokset suunnataan tasapuolisesti kaikkiin neljään suuntaan, päädytään ns. kvasi-isotrooppiseen laminaattiin (quasi-isotropic laminate), jonka tasojäykkyysominaisuudet ovat samanlaiset kaikissa suunnissa. Vastaava käyttäytyminen on mahdollista saavuttaa myös muilla, esim. 0°/-60°/+60°-tyyppisillä laminaateilla.

Kuva 6.20 SM-hiilikuiduilla lujitetun [0°/90°±45°]SE-laminaatin laskennallinen kimmomoduli 0°-suunnassa kerrosten suhteellisten osuuksien funktiona, matriisina epoksi, V_f = 60 t%.

Kuva 6.21 SM-hiilikuiduilla lujitetun [0°/90°±45°]SE-laminaatin laskennallinen vetolujuus 0°-suunnassa kerrosten suhteellisten osuuksien funktiona, matriisina epoksi, V_f = 60 t%.

Laminaattien lujuudet eri suunnissa esitetään toisinaan myös ns. lujuuden verhokäyrinä, jotka kuvaavat kahden kuormituskomponentin kombinaatiot, jotka aiheuttavat laminaatin pettämisen. Esimerkkinä on kuvassa 6.22 esitetty laskennalliset, laminaatin lopullisen pettämisen aiheuttavat s_x–s_y-arvoparit kolmelle 60 t% lujitetta sisältävälle hiilikuitu/epoksi-laminaatille: yhdensuuntaislaminaatille, [0/90]SE-ristikkäislaminaatille ja [0/90/45/-45]SE-laminaatille. Kuva osoittaa selvästi yhdensuuntaislaminaatin lujuuden voimakkaan suuntaisuuden. Ristikkäislaminaatti ja [0/90/45/-45]SE-laminaatti kantavat kohtuullisesti myös y-akselin suuntaisia kuormia. Ristikkäislaminaatin nähdään joillakin kuormituskombinaatioilla olevan selvästi [0/90/45/-45]SE-laminaattia lujempi. Kuva on kuitenkin vain osatotuus eikä paljasta ristikkäislaminaatin huonoa leikkauskuormien kantokykyä.

Kuva 6.22 Kolmen hiilikuitu/epoksi-laminaatin lujuuden verhokäyrät s_x–s_y-koordinaatistossa, matriisina epoksi, V_f = 60 t%.

Kerrosjärjestyksellä ei käytännössä ole suurta vaikutusta symmetristen, balansoitujen laminaattien ominaisuuksiin laminaattitasossa. Taivutuskuormituksessa kerrokset sen sijaan ovat eriarvoisessa asemassa: pintakerrosten merkitys taivutusjäykkyyteen on suuri, kun taas lähellä keskitasoa olevien kerrosten vaikutus on hyvin pieni. Kerrosjärjestyksen vaikutusta kuvaa taulukko 6.8, johon on koottu symmetristen, balansoitujen 0°/90°/±45°-tyyppisten lasikuitu/epoksi-laminaattien laskennalliset taivutusjäykkyydet ja -lujuudet 0°-suunnan taivutuksessa eri pinoamisjärjestyksiä vastaten.

Taulukko 6.8 0°/90°±45°-tyyppisten lasikuitu/epoksi-laminaattien laskennalliset taivutusjäykkyydet ja -lujuudet 0°-suunnassa eri pinoamisjärjestyksillä, matriisina epoksi, V_f = 40 t%.

6.4.3   Kudoslaminaatit

Kudoksista valmistetut laminaatit käyttäytyvät kuten kuitusuunniltaan ja kuitusuuntaosuuksiltaan vastaavat yhdensuuntaiskerroksista valmistetut laminaatit. Kudoslaminaattien mekaaniset ominaisuudet ovat kuitenkin jonkin verran alhaisemmat. Osasyynä tähän on kudoslaminaattien lujitepitoisuus, joka jää usein pienemmäksi kuin vastaavalla menetelmällä valmistetun yhdensuuntaislaminaatin. Kimmo- ja lujuusarvoja alentaa myös kuitujen mutkaisuus. Lisäksi kudoskerrosten impregnointi on vaikeampaa, minkä seurauksena laminaattiin voi jäädä enemmän huokoisuutta kuin yhdensuuntaiskerroksista valmistettuun laminaattiin. Lujuusarvot alenevat kudoksen paksuuden kasvaessa. Paksuilla lujitekudoksilla erityisesti laminaattien kerrostenvälinen leikkauslujuus jää alhaiseksi.

Kudosten tehokkuudesta antaa kuvan taulukko 6.9, jossa on esitetty yleisimmistä lujitekuiduista valmistetuilla tasavaltaisilla kudoksilla saavutettavat tyypilliset laminaattiominaisuudet.

Taulukko 6.9 Tasavaltaisista kudoksista valmistettujen laminaattien tyypillisiä ominaisuuksia.

6.4.4   Mattolaminaatit

Lujitematoissa kuidut ovat katkokuituja tai maton tasossa risteileviä jatkuvia kuituja. Kummassakin tapauksessa lujitekuidut ovat satunnaisesti suuntautuneet. Näin matolla lujitetun laminaatin mekaaniset ominaisuudet ovat laminaattitasossa likimain samanlaiset kaikissa suunnissa.

Mattolaminaatti käyttäytyy pienillä kuormituksilla lineaariselastisesti. Erityisesti vetokuormituksessa laminaattiin alkaa kuitenkin syntyä matriisi- ja sidosvaurioita jo suhteellisen alhaisella kuormitustasolla. Vauriot alentavat laminaatin jäykkyyttä, mistä syystä mattolaminaatin jännitysvenymäkuvaaja on varsin epälineaarinen. Kun vaurioitumisaste on riittävän korkea, tapahtuu lopullinen pettäminen.

Kuvassa 6.23 on esimerkki mattolaminaatin käyttäytymisestä vetokuorituksessa. Jännitysvenymäkuvaajan epälineaarisuus on selvästi havaittavissa. Emissio-käyrä kuvaa vetokokeen aikana koekappaleesta akustisesti mitattua laminaatin säröilyä. Kuvasta nähdään säröilyn alkavan jo varsin alhaisella jännitys-/venymätasolla. Kuvan kolmas käyrä ilmaisee mitattujen särötapahtumien kokonaismäärän. Nähdään, että säröjen määrä lisääntyy likimain lineaarisesti venymän kasvaessa kunnes vaurioituminen johtaa laminaatin lopulliseen pettämiseen.  

Kuva 6.23 Mattolaminaatin tyypillinen jännitysvenymäkuvaaja ja vaurioituminen vetokuormituksessa.

Mattolaminaatteja valmistetaan lähinnä lasikuiduista ja polyesterihartseista. Mattolaminaattien tyypillisiä mekaanisia lyhytaikaisominaisuuksia on esitetty taulukossa 6.10.

Taulukko 6.10 Mattolaminaattien tyypillisiä mekaanisia lyhytaikaisominaisuuksia, lujitteena E-lasikuitu, matriisina polyesteri.

6.4.5   Hybridilaminaatit

Kahta tai useampaa lujitetta sisältävällä hybridituotteella saavutettavia kerrosominaisuuksia voidaan arvioida karkeasti luvussa 8 esitetyin laskennallisin menetelmin. Suositeltavaa on kuitenkin määrittää kokeellisesti hybridituotteella saavutettavat kerrosominaisuudet, koska laskentamallit eivät ota huomioon kaikkia lujitteiden yhdistämisen vaikutuksia.

6.4.6   Valmistusprosessin vaikutus ominaisuuksiin

Tiettyyn lujitepitoisuuteen valmistetun ja täysin kovetetun laminaatin mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttavat valmistusteknisesti eniten lujitteiden suuntaamistarkkuus ja laminaattiin jäävä huokoisuus.

Lujitteiden suuntausvirheen vaikutus laminaatin mekaanisiin ominaisuuksiin voi olla merkittävä. Esimerkiksi SM-hiilikuidusta 60 t%:n lujitepitoisuuteen valmistetun [30/-30]SE-laminaatin kimmomodulin nimellisarvo 0°-suunnassa on 45 GPa, mutta arvo vaihtelee välillä 32…63 GPa, kun kerrosten suuntatoleranssi on  ± 5°. Arvot on määritetty luvussa 8 esitetyin laskennallisin menetelmin.

Huokoisuuden vaikutus laminaatin jäykkyyteen on vähäinen: yhdensuuntaislaminaatilla lujitteiden suuntainen jäykkyys ei juuri muutu, poikittainen jäykkyys ja leikkausjäykkyys alenevat hieman. Laminaatin vetolujuuteenkin huokoisuus vaikuttaa vain vähän. Kuitujen suuntaiseen puristuslujuuteen ja kerrostenväliseen leikkauslujuuteen huokoisuudella voi kuitenkin olla merkittävä vaikutus. Esimerkkinä on kuvassa 6.24 hiilikuitu/epoksi-yhdensuuntaislaminaatille mitattu puristuslujuus huokoisuuden funktiona.

Huokoisuuden vaikutuksia on vaikea arvioida laskennallisesti. Pääsääntöisesti valituilla materiaaleilla ja valmistustekniikalla saavutettava huokospitoisuus ja sen vaikutukset onkin selvitettävä kokeellisesti.

Kuva 6.24 Esimerkki huokoisuuden vaikutuksesta hiilikuitu/epoksi-yhdensuuntaislaminaatin kuitujen suuntaiseen puristuslujuuteen [4].

6.4.7   Käyttöympäristön vaikutukset

Ympäristömuutokset vaikuttavat laminaattien ominaisuuksiin kahdella tavoin: toisaalta aineosien ominaisuudet muuttuvat, toisaalta lämpötila- ja kosteusmuutokset vaikuttavat laminaatin sisäiseen jännitystilaan ja tätä kautta lujuusarvoihin.

Yhdensuuntaislaminaateilla käyttöympäristö vaikuttaa merkittävimmin kuitujen suuntaiseen puristuslujuuteen. Esimerkkinä on kuvassa 6.25 eräälle hiilikuitu/epoksi-yhdensuuntaislaminaatille mitatut kuitujen suuntaiset jäykkyys- ja puristuslujuusarvot eri ympäristöoloissa.

Kuva 6.25 Hiilikuitu/epoksi-yhdensuuntaislaminaatin kuitujen suuntainen puristusjäykkyys ja puristuslujuus eri ympäristöoloissa. [5]

Eri kuitusuuntia sisältävillä laminaateilla ympäristömuutos vaikuttaa erityisesti lujuusominaisuuksiin laminaatin sisäisen jännitystilan muutoksen kautta. Tästä esimerkkinä on taulukossa 6.11 tasavaltaisen hiilikuitu/epoksi-ristikkäislaminaatin laskennallinen vaurioitumisjännitys eri lämpötiloissa. Jännitysarvot on määritetty olettaen, että lämpötilassa T = 125 °C laminaatissa ei ole sisäisiä jännityksiä. Sisäisten jännitysten vaikutusten havainnollistamiseksi on lisäksi oletettu, että kerrosominaisuudet eivät muutu lämpötilan muuttuessa. Ympäristömuutoksen nähdään vaikuttavan erityisesti vaurioitumisjännitykseen vedossa. Selityksenä tälle on lämpötilan laskun aiheuttama vetojännitys kuormitusta vastaan kohtisuorissa kerroksissa, jotka vetokuormituksessa vaurioituvat ensimmäisinä.

Taulukko 6.11 Hiilikuitu/epoksi-ristikkäislaminaatin [0/90]SE laskennalliset vaurioitumisjännitykset vedossa ja puristuksessa eri lämpötiloissa, V_f = 60 t%.

Lämpötilan ja kosteuden pitkäaikaisvaikutukset laminaattien ominaisuuksiin ovat tyypillisesti melko vähäiset. Yleispäteviä johtopäätöksiä on kuitenkin vaikea tehdä. Tämä käy selvästi ilmi taulukosta 6.12, jossa on esitetty koetulokset meriveden vaikutuksesta kahden kudoslaminaatin taivutus- ja puristusominaisuuksiin. Taulukon kudokset eroavat toisistaan rakenteeltaan ja jälkikäsittelyltään.

Taulukko 6.12 Kahden merivedelle altistetun kudoslaminaatin taivutus- ja puristusominaisuudet verrattuna vastaaviin ominaisuuksiin ennen altistusta. [6]

Käyttökohteittensa takia mattolaminaattien säänkestävyyttä on tutkittu melko paljon. Erään tutkimuksen mukaan gelcoat-pintaisen laminaatin lujuus ei havaittavasti muuttunut 2,5 vuoden aikana. Sama toteamus tehtiin laminaateille, joita kuormitettiin kokeen kestoajan 25 %:lla murtovenymästä. Pinnoittamattomien laminaattien lujuuden todettiin jonkin verran alenevan erityisesti kosteassa ympäristössä (taulukko 6.13).

Taulukko 6.13 Eri ympäristöille 4 vuotta altistetun pinnoittamattoman lasikuitu/ortopolyesteri-laminaatin lujuusarvoja verrattuna vastaaviin lujuusarvoihin ennen altistusta. [6]

Laminaatin jatkuva upottaminen veteen vaikuttaa ominaisuuksiin nopeammin kuin ilman kosteus. Vaikutukset eivät kuitenkaan aina ole radikaaleja. Eräässä tutkimuksessa pinnoittamaton mattolaminaatti oli upotettuna veteen 20 °C:ssa 300 vuorokautta. Taivutusmodulin todettiin alenneen 3 % koesauvoilla, joiden reunat olivat suljetut ja 11 % koesauvoilla, joiden reunat olivat avoimet. Ominaisuuksien heikkeneminen korostuu lämpötilan noustessa. Toisen tutkimuksen mukaan gelcoat-pintaisten mattolaminaattien ominaisuudet heikkenivät taulukon 6.14 mukaisesti, kun sauvoja keitettiin 50 vuorokautta tislatussa vedessä. Sauvojen reunat olivat suljetut.

Taulukko 6.14 Tislatussa vedessä 50 vuorokautta keitettyjen, gelcoat-pintaisten mattolaminaattien taivutusominaisuudet verrattuna ominaisuuksiin ennen keittämistä. [6]

Muiden kemikaalien kuin veden vaikutuksia laminaattien mekaanisiin ominaisuuksiin on tutkittu hajanaisesti. Yleispätevien johtopäätösten tekeminen on vaikeaa varsinkin kun eri muoviaineiden kemiallinen kestävyys on yksilöllinen. Kemikaalin ja kuorman samanaikainen vaikutus voi myös olla huomattavasti radikaalimpi kuin altistuskokeet ja sen jälkeiset kuormituskokeet antaisivat olettaa. Pääsääntöisesti kemikaaleille alttiit laminaattirakenteet on suojattava pinnoitteilla. Lisäksi on huolehdittava, ettei kemikaali pääse kuormituksen tai iskujen aiheuttamien säröjen kautta kuormaa kantavaan rakenteeseen.