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 6.34Materiaalin 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 6.35Lasikuitumatolla lujitetun polyesterin virumiskäyriä taivutuskuormituksessa. [9]
Kuva 6.36Lujitemuodon ja matriisin vaikutus laminaatin murtumisaikaan taivutuksessa. [9]
Kuva 6.37Hiilikuitu/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 6.38Lämpötilan 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 6.64Normaali- 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 6.65Kerroslevyn pettämismekanismit.
Kirjallisuutta
Halme J., Development Testing of a Composite Wing Rib.
Diplomityö, Teknillinen korkeakoulu, Konetekniikan osasto, Otaniemi 2002.
Harris B., Engineering Composite Materials, Second
Edition. The University Press, Cambridge
1999.
Engineered
Materials Handbook, Volume 1, Composites. ASM International, USA 1987.
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.
Bergmann
H.W., & al., Mechanical Properties and Damage Mechanisms of
Carbonfiber-Reinforced Composites. DVFLR-FB 88-41, DVFLR Institut für
Strukturmechanik, Braunschweig 1988.
Johnson
A.F., Engineering Design Properties of GRP. British Plastics Federation,
Publication 215/1.
Pritchard
G. (Ed.), Developments in Reinforced Plastics – 2. Applied Science Publishers, London 1982.
Bott
T.R., Barker A.J., Creep in Glass Fiber Reinforced Plastics. Industrial and
Engineering Chemistry, Vol. 59, No. 7, July 1967.
Sturgeon
J.B., Creep of Fiber Reinforced Thermosetting Resins. Institute of Mechanical
Engineering, London 1978. (In Creep of Engineering
Materials, Ed. Pomeroy C.D.)
Lindroos V., Sulonen M., Veistinen M., Uudistettu
Miekk-ojan metallioppi. Otava, Keuruu 1986.
Engineering
Plastics, LNP Product data, The Netherlands 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 6.46Kaksi- ja yksipuolinen mekaaninen limi- ja palstaliitos.
Kuva 6.47Liitosalueen 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 6.48Mekaanisen 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 6.50Hiilikuitu/epoksi-laminaattien mekaanisen liitoksen lujuus reunaetäisyyden w/d funktiona. [14]
Kuva 6.51Hiilikuitu/epoksi-laminaattien mekaanisen liitoksen lujuus reunaetäisyyden e/d funktiona. [14]
Kuva 6.52Lasikuitu/epoksi-laminaattien mekaanisen liitoksen lujuus reunaetäisyyden w/d funktiona. [13,15]
Kuva 6.53Lasikuitu/epoksi-laminaattien mekaanisen liitoksen lujuus reunaetäisyyden e/d funktiona. [13,15]
Kuva 6.56Peräkkäisten 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 6.57Liimaliitoksia.
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 6.58Liimaliitoksen 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 6.59Liimaliitoksen pituuden vaikutus sauman leikkausjännitysjakautumaan.
Kuva 6.60Taivutuksen 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 6.61Leikkausjännitysjakautuman 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 6.62Liima-aineen tyypillinen leikkausjännitys/liukuma-käyrä ja sen ideaalinen elastisplastinen approksimaatio.
Kuva 6.63Leikkausjännitysjakautuma 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 6.16Eri kuiduilla lujitetun epoksi-BMC:n ominaisuuksia. [3]
Taulukko 6.17Hartsityypin ja lasikuidun kuitupituuden vaikutus BMC:n ominaisuuksiin. [3]
Taulukko 6.18Lujitettujen 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]
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 6.40Jännitys 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 6.41Tangentiaalijännityksen 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 6.42Rakenteen 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 6.43Iskun 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 6.44Esimerkki 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 6.45Materiaalien 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 6.15Kudoslaminaattien 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 σm ja jännitysheilahdus σh. Usein
parametreina käytetään myös maksimijännitystä σmax sekä minimi- ja maksimijännityksen suhdetta R
= σmin/σmax. Kun R
= 0, kyseessä on niin sanottu vetoväsytys.
Kuva 6.26Sinimuotoinen väsyttävä kuorma.
Väsytyskokeessa
mitataan, montako kuormitussykliä materiaali kestää määritellyllä
kuormituksella. Yhdessä koesarjassa keskijännitys σm 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 σm 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 6.27Erityyppisten 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 6.30Ei 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 σs on
väsymislujuus, σtu staattinen
vetomurtolujuus ja B verrannollisuuskerroin, jolle tutkimuksen mukaan on
saatu likiarvo σtu /B = 10,4. Tutkimuksen koetulokset ja
kaavan (6.15) mukainen suora on esitetty kuvassa 6.31.
Kuva 6.31Lasikuiduilla lujitettujen laminaattien staattisen vetomurtolujuuden σtu 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 6.32Lämpötilan ja kosteuden vaikutus hiilikuitu/epoksi-laminaatin väsymislujuuteen, veto/puristus-väsytys, kuitusuunnat ±45° kuormitussuuntaan nähden. [5]
Kuva 6.33Lämpötilan 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 6.10Yhdensuuntaislaminaatin 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 6.11Kuitulujitetun 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 6.12Yhdensuuntaislaminaatin 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 6.13Yhdensuuntaislaminaatti 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.
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 6.14Balansoidun, symmetrisen [0°/90°/+45°/-45°]SE-laminaatin pelkistetty jännitysvenymäkuvaaja 0°-suuntaisessa vetokuormituksessa.
Kuva 6.15Balansoitu, 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 6.16Balansoidun, 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 6.17Balansoidun, 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 Ex,
Gxy ja nxy 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 Ex nähdään
laskevan nopeasti suuntakulman q kasvaessa.
Liukumoduli Gxy sen sijaan
kasvaa q:n kasvaessa
saavuttaen maksiminsa arvolla q = 45°. Tällöin
leikkausvoima kuormittaa lujitekuituja vedolla ja puristuksella. Poissonin
vakio nxy 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 (Ex)
suuntakulman q funktiona lujitepitoisuudella 60 t%.
Kuva 6.18Kulmaladotun E-lasikuitu/epoksi-laminaatin kimmomoduli (E_x), liukumoduli (G_xy) ja Poissonin vakio (nu_xy) kuitusuunnan funktiona, Vf = 60 t%.
Kuva 6.19Lasi-, aramidi- ja hiilikuiduilla lujitettujen [+q/-q]SE-laminaattien laskennalliset kimmomodulit kuitusuunnan funktiona, Vf = 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.
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 (Ex).
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.
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 sx–sy-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.
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 6.80°/90°±45°-tyyppisten lasikuitu/epoksi-laminaattien laskennalliset taivutusjäykkyydet ja -lujuudet 0°-suunnassa eri pinoamisjärjestyksillä, matriisina epoksi, Vf = 40 t%.
Laminaatti
Taivutusjäykkyys
GPa
Taivutuslujuus
MPa
[90/45/-45/0]SE
10,6
103
[90/0/45/-45]SE
15,9
185
[0/90/45/-45]SE
22,7
326
[0/45/-45/90]SE
23,5
337
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 6.9Tasavaltaisista 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 6.23Mattolaminaatin tyypillinen jännitysvenymäkuvaaja ja vaurioituminen vetokuormituksessa.
Mattolaminaatteja
valmistetaan lähinnä lasikuiduista ja polyesterihartseista. Mattolaminaattien
tyypillisiä mekaanisia lyhytaikaisominaisuuksia on esitetty taulukossa 6.10.
Taulukko 6.10Mattolaminaattien 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 6.24Esimerkki 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 6.25Hiilikuitu/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 6.11Hiilikuitu/epoksi-ristikkäislaminaatin [0/90]SE laskennalliset vaurioitumisjännitykset vedossa ja puristuksessa eri lämpötiloissa, Vf = 60 t%.
T [°C]
sx,tf [MPa]
sx,cf [MPa]
125
336
535
100
289
531
75
243
527
50
196
523
25
150
513
0
104
489
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 6.12Kahden 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 6.13Eri 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 6.14Tislatussa 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.
Komposiittilaminaattien
hygrotermisistä ominaisuuksista tärkeimpiä ovat lämmönkesto, lämmönjohtavuus,
lämpölaajeneminen ja kosteusabsorptio seurauksineen.
6.3.1 Lämmönkesto
Yleisimmät
lujitekuidut kestävät hyvin korkeitakin lämpötiloja. Laminaattien lämmönkestävyyden
määrittääkin matriisimuovi. Muoveille on ominaista pehmeneminen lämpötilan
noustessa ja haurastuminen lämpötilan laskiessa. Eri muovien
käyttölämpötila-alueita on esitetty luvussa 3.
Tärkeimmät
matriisimuovien ja laminaattien lämmönkestävyyttä kuvaavat suureet ovat lasittumislämpötila
Tg ja ns.
taipumislämpötila. Jälkimmäiselle käytetään usein englanninkielisen termin
lyhenteestä johdettua nimitystä HDT-lämpötila (Heat Distortion Temperature).
Lasittumislämpötila
ja HDT-lämpötila ilmaisevat, missä lämpötilassa matriisimuovin ja samalla
laminaatin ominaisuudet alkavat radikaalisti muuttua. Ne eivät kuitenkaan
suoraan kuvaa laminaatille sallittavissa olevaa lämpötilaa. Sallittavissa oleva
arvo riippuu monesta tekijästä, mm. laminaatin kuormituksesta sekä siitä, miten
pitkiä aikoja laminaatti joutuu korkeassa lämpötilassa olemaan. Tyypillisesti
laminaatin korkein mahdollinen käyttölämpötila on jonkin verran (20…30 °C) matriisin lasittumislämpötilan ja HDT-lämpötilan alapuolella.
Matalia
lämpötiloja matriisimuovit kestävät yleensä hyvin. Kylmänä muovit ovat
kuitenkin hauraampia, mikä vaikuttaa jossain määrin laminaattien
lujuusominaisuuksiin ja erityisesti niiden iskunkestävyyteen.
6.3.2 Lämmönjohtavuus ja ominaislämpö
Muovit,
muovipohjaiset lujitekuidut ja lasikuidut ovat huonoja lämmönjohteita. Materiaaleista
valmistetut laminaatit ovatkin käytännössä lämpöeristeitä. Hiili- ja
boorikuitujen lämmönjohtavuus on kohtuullinen. Kuiduilla lujitettujen
rakenteiden lämmönjohtavuus on kuitenkin huonohko, sillä laminaateissa kuituja
ympäröi lämpöä eristävä matriisimuovi. Lämmönjohtavuusominaisuudet ovat muiden
ominaisuuksien tapaan suuntautuneet.
Huono
lämmönjohtavuus on eduksi, kun rakenteelta edellytetään lämmöneristyskykyä.
Toisaalta huono lämmönjohtavuus voi aiheuttaa ongelmia, sillä hitaasti
tasaantuvat lämpötilaerot aiheuttavat lämpöjännityksiä ja joskus myös
haitallisia muodonmuutoksia.
Taulukossa
6.1 on esitetty laminaattien lämmönjohtavuuksien tyypilliset arvot. Hiilikuitulaminaateista
on esitetty vain yksi esimerkki. Korkeamodulisilla hiilikuiduilla lujitettujen
laminaattien lämmönjohtavuus kuitusuunnassa on taulukkoarvoa selvästi parempi.
Taulukossa on esitetty myös laminaattien ominaislämpöjen tyypilliset arvot.
Pääsääntöisesti ominaislämmöt ovat jonkin verran metallien arvoja korkeammat.
Taulukko 6.1 Laminaattien lämmönjohtavuuksia ja ominaislämpöjä, matriisi polyesteri/epoksi.
6.3.3 Lämpölaajeneminen
Muovien
lämpölaajenemiskertoimet ovat huomattavasti suuremmat kuin metallien. Toisaalta
lujitteina käytettyjen kuitujen lämpölaajenemiskertoimet ovat pituussuunnassa
hyvin pienet, hiili- ja aramidikuiduilla jopa negatiiviset. Kun lujite ja muovi
yhdistetään komposiitiksi, lämpölaajeneminen on yleensä jotakin lujitteen ja
muovin lämpölaajenemisen väliltä. Näin ei ole kuitenkaan aina, sillä lämpölaajenemiseen
vaikuttaa merkittävästi myös lujitteiden suuntaus.
Laminaattien
alhaisia lämpölaajenemiskertoimia ja kertoimien säätelymahdollisuuksia
hyödynnetään rakenteissa, joilta vaaditaan hyvää mittapysyvyyttä vaihtelevissa
lämpötiloissa. Hiilikuitulujitteita käyttäen on mahdollista aikaansaada
rakenne, joka ei laajene lainkaan mittapysyvyyden kannalta kriittisessä
suunnassa.
Laminaattien
tyypillisiä lämpölaajenemiskertoimia on koottu taulukkoon 6.2.
Yhdensuuntaislaminaattien käyttäytymistä kuitusuunnassa hallitsee lujite, joten
kertoimet kuitusuunnassa ovat lähellä kuitujen vastaavia arvoja. Poikittaisessa
suunnassa yhdensuuntaislaminaatin lämpölaajenemiskerroin on huomattavan suuri.
Ristikkäislaminaatin lämpölaajenemiskertoimet ovat suhteellisen pienet
kummassakin pääsuunnassa.
Taulukko 6.2Laminaattien tyypillisiä lämpölaajenemiskertoimia huoneenlämpötilassa.
Kuitusuuntauksen
hieman yllättäviäkin vaikutuksia osoittaa kuva 6.4, jonka mukaisesti
symmetrisen kulmaladotun laminaatin laajenemiskerroin 0°-suunnassa
voi monilla kerroskulman q arvoilla
olla pienempi kuin yhdensuuntaislaminaatin laajenemiskerroin kuitusuunnassa.
Kuva 6.4 Hiilikuitulujitetun ±q-laminaatin lämpölaajenemiskerroin 0°-suunnassa.
6.3.4 Kosteusabsorptio ja sen vaikutukset
Monet
materiaalit absorboivat ympäristöstä kosteutta. Imeytyneen kosteuden määrää
kuvaa kosteuspitoisuus, joka on materiaaliin imeytyneen veden massa suhteutettuna
kuivan kappaleen massaan. Kosteuspitoisuus ilmaistaan tavallisesti
prosenttilukuna, joka määritelmän mukaan on
(6.14)
missä m on kosteutta absorboineen
materiaalin massa ja m0
kuivan materiaalin massa.
Kaikki
matriisimuovit imevät kosteutta, samoin esimerkiksi aramidikuidut. Lasi- ja
hiilikuitulujitetuissa laminaateissa kosteutta absorboi käytännössä vain
matriisi. Absorptionopeus riippuu ympäristön kosteuspitoisuudesta ja lämpötilasta,
imeytyvän kosteuden kokonaismäärä käytännössä vain ympäristön
kosteuspitoisuudesta. Matalassa lämpötilassa ja suhteellisen alhaisessa
kosteudessa absorptio on hyvin hidasta. Etenkin paksuilla laminaateilla voi
kestää jopa kuukausia ennen kuin altistusympäristölle ominainen tasapainotila
on saavutettu.
Kuvassa 6.5
on esimerkki hiilikuitulujitetun laminaatin ja sen matriisimuovin
kosteusabsorptiosta 85 %:n suhteellisessa kosteudessa 70 °C:n lämpötilassa. Kuvan tapauksessa laminaatin
kosteusabsorptio on noin neljännes hartsin absorptiosta. Absorptio on pääosin
tapahtunut 1000 tunnin aikana. Kuvan mukaisesti lopullisen tasapainotilan
saavuttaminen kestää kuitenkin huomattavasti kauemmin.
Kuva 6.6
havainnollistaa ympäristön vaikutusta kosteusabsorptioon. Kuvassa 6.7 on
verrattu eri kuiduilla lujitettujen laminaattien kosteusabsorptiota.
Kuva 6.5Erään hiilikuitulujitetun laminaatin ja sen matriisimuovin kosteusabsorptio, ympäristön lämpötila 70 °C ja suhteellinen kosteus 85 %. [1]
Kuva 6.6Ympäristön vaikutus erään epoksimatriisin kosteusabsorptioon. [2]
Kuva 6.7E-lasikuiduilla, HTS-hiilikuiduilla ja aramidikuiduilla (Kevlar 49) lujitettujen epoksilaminaattien kosteusabsorptiot 100 °C:ssa vedessä ja 65 %:n suhteellisessa kosteudessa 23 °C:ssa. [2]
Laminaattiin absorboitunut kosteus vaikuttaa moniin ominaisuuksiin. Kuvan 6.8 mukaisesti matriisimuovin lasittumislämpötila alenee kosteuspitoisuuden kasvaessa, minkä seurauksena matriisimuovin ja samalla laminaatin lämmönkestävyys alenee. Kosteus myös pehmentää matriisimuovia, mikä näkyy laminaatin lujuusominaisuuksissa. Vaikutuksia tarkastellaan lähemmin kappaleessa 6.4.
Kuva 6.8 Esimerkki epoksimatriisin lasittumislämpötilan alenemisesta kosteuspitoisuuden kasvaessa. [2]
Kosteusabsorptio
aiheuttaa laminaattiin myös mittamuutoksia. Mittamuutos on vastaavanlaista kuin
lämpölaajeneminen. Muutoksia kuvataankin lämpölaajenemisen tapaan laajenemiskertoimilla.
Laajeneminen on tyypillisesti vähäistä lujitekuitujen suunnassa.
Yhdensuuntaislaminaatin kosteuslaajenemiskerroin kuitujen suunnassa voidaankin
usein olettaa häviävän pieneksi. Kuituja vastaan kohtisuorassa suunnassa tyypillinen
arvo kosteuslaajenemiskertoimelle on 0,6×10-2
1/ p%.
6.3.5 Sisäiset jännitykset
Muiden
vaikutusten ohella lämpötila- ja kosteusmuutokset aiheuttavat laminaattiin
sisäisiä jännityksiä. Yhdensuuntaislaminaatissa jännitykset ovat seurausta
lujitteen ja matriisin erilaisesta käyttäytymisestä. Kerrokselliseen laminaattiin
sisäisiä jännityksiä aiheuttaa myös se, että erityyppiset tai eri tavoin
suunnatut kerrokset eivät pääse vapaasti laajenemaan ja supistumaan lämpötilan
ja/tai kosteuspitoisuuden muuttuessa.
Sisäisiä jännityksiä havainnollistaa kuva 6.9, jossa on esitetty kahdesta erilaisesta kerroksesta muodostuvan symmetrisen laminaatin käyttäytyminen lämpötilan ja/tai kosteuspitoisuuden muuttuessa. Ylempi kuva osoittaa, miten kerrosten pituudet muuttuisivat, jos ne eivät olisi toisiinsa liimatut. Laminaatissa kerrokset muuttavat muotoaan yhdessä, jolloin toinen kerroksista joutuu venymään vapaata laajenemistaan enemmän ja toinen vastaavasti vähemmän. Tämän seurauksena kerroksiin syntyy jännityksiä, jotka ovat verrannollisia pakotettuihin muodonmuutoksiin.
Kuva 6.9Kerrosten ja niistä muodostetun laminaatin käyttäytyminen lämpötilan ja/tai kosteuspitoisuuden muuttuessa.
Tyypillisesti
lämpö- ja kosteuslaajenemisesta aiheutuvat kerrosjännitykset ovat pieniä
laminaatin kovetusympäristössä ja sen läheisyydessä. Mikäli jännitykset häviävät
kokonaan jossain ympäristössä, tätä kutsutaan laminaatin jännitysvapaaksi ympäristöksi (stress-free environment). Kun
laminaattia käytetään jossain muussa ympäristössä, sisäiset jännitykset on aina
otettava mitoituksessa huomioon. Esimerkiksi korotetussa lämpötilassa kovetetun
laminaatin sisäiset jännitykset voivat kasvaa merkittävän suuriksi jo
kovetuksen jälkeisessä jäähdytyksessä.
Luvun 3
mukaisesti kertamuovit kutistuvat kovettuessaan. Kutistuma vaikuttaa
valmistettavan tuotteen mittoihin, vaikka lujitteet osaltaan rajoittavatkin
mittamuutoksia. Mittamuutoksia aiheuttavat myös aineosien lämpömuodonmuutokset.
Kokonaismuodonmuutoksen suuruus riippuu materiaaliominaisuuksien ohella
lujitteiden suuntauksesta ja aineosien seossuhteista.
Olettaen,
että hartsi kiinteytyy kovetuslämpötilassa Tc,
kovetuksessa ja sen jälkeisessä jäähdytyksessä tapahtuva komposiitin
mittamuutos suunnassa x on:
(6.10)
missä ax on kovettuneen komposiitin lämpölaajenemiskerroin
tarkastelusuunnassa, Tref
on tarkastelulämpötila ja Sx
on komposiitin kovettumiskutistuma tarkastelusuunnassa (pituusyksikköä kohti).
Mittamuutosten
ohella kovetusprosessi voi aiheuttaa kappaleen muodon vääristymistä. Syynä
tähän ovat suunnatut lämpölaajenemisominaisuudet, kovettumiskutistuma ja
kovetusprosessissa syntyvät sisäiset jännitykset. Muodon vääristyminen on
varsin voimakasta epäsymmetrisillä laminaateilla, mistä syystä laminaatit
pääsääntöisesti valmistetaan symmetrisiksi.
Esimerkkinä
muodon vääristymisestä tarkastellaan symmetrisen laminaatin nurkan kulmamuutosta
(kuva 6.3), joka voidaan esittää edellä mainittujen kolmen osatekijän summana:
(6.11)
missä alaindeksi T viittaa
lämpölaajenemisen, alaindeksi S
kovettumiskutistuman ja alaindeksi C
sisäisten jännitysten aiheuttamaan kulmamuutokseen.
Kuva 6.3Kovetusprosessissa tapahtuva laminaatin kulman muodonmuutos.
Eniten
kulmamuutosta aiheuttavat suunnatut lämpölaajenemisominaisuudet, tarkemmin
sanottuna se, että laminaatin lämpölaajenemiskerroin paksuussuunnassa (az) on selvästi suurempi kuin lämpölaajenemiskerroin tarkastelusuunnassa
laminaatin tasossa (ax).
Olettamalla laminaattirakenne täysin homogeeniseksi, voidaan yksinkertaisella
geometrisella tarkastelulla johtaa lämpötilamuutoksen DT aiheuttamalle kulmamuutokselle lauseke:
(6.12)
missä q0 on kulman alkuperäinen arvo. Esimerkiksi hiilikuitulujitetun
laminaatin 90°:n nurkan kulmamuutos
on suuruusluokkaa DqT = – 0,004 °/°C.
Lausekkeessa
(6.11) olevien muiden kulmamuutoskomponenttien suuruutta on hankala arvioida
laskennallisesti. Lisäksi on huomattava, että lauseke (6.12) pätee vain
homogeenisille laminaateille. Käytännössä nurkka-alue on aina jossain määrin
epähomogeeninen lujitteiden pakkautuessa sisänurkkaa kohti. Tarvittaessa nurkan
kulmamuutos onkin varmistettava kokeellisesti.
Kulman
säteen muutoksen (kuva 6.3) määrää paksuussuuntainen lämpölaajenemiskerroin az. Merkitsemällä alkuperäistä sädettä R0:lla, saadaan lämpötilamuutoksen DT aiheuttamalle säteen muutokselle DR lauseke
Komposiitin merkittäviä rakenteellisia ominaisuuksia ovat aineosien seossuhteet ja niiden järjestäytyminen. Komposiitteihin jää käytännössä aina myös huokoisuutta, joka voi merkittävästi vaikuttaa lopputuotteen ominaisuuksiin.
6.1.1 Aineosien seossuhteet ja järjestäytyminen
Kuitulujitetun komposiitin seossuhteista tärkein on lujitepitoisuus. Sen teoreettisena ylärajana on pyöreiden, yhdensuuntaisten kuitujen suurin mahdollinen pakkaustiheys (kuva 6.1a), joka on noin 91 tilavuusprosenttia (t%). Käytännössä kuidut ovat kuitenkin aina epätasaisesti jakautuneet (kuva 6.1b). Kun lisäksi otetaan huomioon, että kuitujen välissä on oltava kuormituksia kuidusta toiseen siirtävää muoviainetta, on lujitepitoisuuden käytännön yläraja yhdensuuntaiskuiduilla lujitetussa rakenteessa 65…70 t%. Useimmilla lujitetuotteilla ja valmistusmenetelmillä lujitepitoisuus jää selvästi tätä alhaisemmaksi (ks. luku 5).
Kuva 6.1Yhdensuuntaiskuiduilla lujitettu laminaatti: kuitujen suurin mahdollinen pakkaustiheys ja tyypillinen jakautuma.
Komposiitin
muodostavien raaka-aineiden seossuhteet ilmaistaan paino- tai tilavuusosuuksina.
Paino-osuudet ovat käytännöllisiä esimerkiksi raaka-aineiden annostelussa.
Mekaanisissa tarkasteluissa taas on tunnettava aineosien tilavuusosuudet.
Seossuhteiden muuntaminen paino-osuuksista tilavuusosuuksiksi ja päinvastoin
onkin usein toistuva tehtävä.
Yleisessä
tapauksessa n komponenttia sisältävän komposiitin komponentin i
tilavuusosuus Vi saadaan lausekkeesta
(6.1)
missä Wi
on komponentin i paino-osuus ja ρi sen tiheys.
Lujitteen
ja matriisimuovin muodostamalle laminaatille kaava (6.1) supistuu muotoon:
(6.2)
missä
alaindeksi f viittaa lujitteeseen ja m matriisiin.
Kääntäen,
mikäli eri komponenttien tilavuusosuudet tunnetaan, saadaan paino-osuuksille
kaavoja (6.1) ja (6.2) vastaten lausekkeet
(6.3), (6.4)
Käytännön
laminaateissa lujitteen tiheys on lähes aina muoviaineen tiheyttä suurempi.
Lukuarvoltaan lujitekuitujen paino-osuus on siten suurempi kuin vastaava
tilavuusosuus. Poikkeuksen muodostavat polyeteenikuiduilla lujitetut muovit,
sillä polyeteenin tiheys (0,97 kg/dm3) on pienempi kuin useimpien
matriisimuovien tiheys. Esimerkkinä lujitteiden paino- ja tilavuusosuuksien
välisistä suhteista on kuvassa 6.2 esitetty riippuvuudet lasi-, hiili- ja
aramidikuiduilla lujitetuille laminaateille, kun muoviaineen tiheydeksi on
oletettu epokseille ja polyestereille tyypillinen arvo 1,20 kg/dm3.
Kuva 6.2Kuitulujitettujen muovien tilavuus- ja paino-osuuksien välinen riippuvuus. Muoviaineen tiheys rm = 1,20 kg/dm3.
Komposiitin
tiheys ρc saadaan
laskettua raaka-aineiden tiheyksistä ja tilavuusosuuksista. Yleisessä
tapauksessa tiheyden lauseke on
(6.5)
Lujitteen
ja matriisimuovin muodostamalle laminaatille lauseke supistuu muotoon
(6.6)
Laminaattirakenteen
mitoituksessa lähtökohtana on valitulla valmistusmenetelmällä saavutettava
lujitepitoisuus. Mitoituksessa määritetään tarvittava laminaatin paksuus. Kun laminaatin
paksuus ja lujitepitoisuus ovat tunnetut, tarvittava lujitteen neliömassa
saadaan paksuutta, neliömassoja ja aineosien tiheyksiä sitovasta lausekkeesta
(6.7)
missä mAf ja mAm ovat lujitekerrosten ja matriisiaineen neliömassat
ja rf on lujitteen tiheys. Vastaava yleisempi lauseke n komponenttia sisältävän laminaatin
paksuudelle on
(6.8)
missä mAi on komponentin i neliömassa.
Esimerkki
Esimerkkinä
edellä esitettyjen kaavojen käytöstä tarkastellaan lasikuitumatolla lujitettua
polyesterilaminaattia, joka yksinkertaisuuden vuoksi oletetaan täysin
huokosettomaksi. Lujitematon neliömassa on 450 g/m2, lasikuidun
tiheys 2,54 kg/dm3 ja polyesterin tiheys 1,20 kg/dm3.
Laminaatti valmistetaan kahdesta mattokerroksesta ja sen paksuudeksi saadaan
1,75 mm.
Lähtöarvojen
perusteella saadaan lujitteen neliömassaksi kokonaisuudessaan 900 g/m2.
Kaava (6.7) antaa lujitteen tilavuusosuudeksi Vf = 0,20 eli
20 t%. Kaavalla (6.6) saadaan laminaatin tiheydeksi ρc = 1,47
kg/dm3. Kaavan (6.4) mukaan lujitteen paino-osuus on 0,35 eli 35 p%.
Koko laminaatin neliömassaksi saadaan 900 g/m2 / 0,35 = 2.570 g/m2
ja matriisimuovin määräksi 1.670 g/m2.
6.1.2 Huokoisuus
Komposiittiin
jää käytännössä aina kaasuhuokosia. Huokosten tilavuusosuus eli huokoisuus riippuu valmistustekniikasta.
Huokoisuutta aiheuttavat myös joidenkin hartsien sisältämät tai niistä kovettumisreaktiossa
vapautuvat aineosat, mikäli nämä eivät pääse poistumaan komposiitista ennen sen
kovettumista. Parhailla valmistusmenetelmillä komposiitin huokoisuus on
prosentin murto-osia, huonommilla menetelmillä jopa 10…15 %.
Komposiitin
huokoisuus voidaan määrittää punnitsemalla näytepala ja mittaamalla sen tiheys.
Kun lisäksi tunnetaan muoviaineen ja lujitteen tiheydet ja massaosuudet,
huokoisuus Vv saadaan laskettua kaavasta
(6.9)
Huokoisuusarvoihin
on syytä suhtautua varauksella, sillä materiaalien tiheyksien ja näytteen
tilavuuden määritys riittävällä tarkkuudella on käytännössä hankalaa. Usein
huokoisuus määritetään myös optisesti, jolloin huokoisuuden ohella voidaan arvioida
huokosten kokoa ja niiden jakautumaa.
Muovikomposiittien käyttö rakenteellisissa sovelluksissa