Aihearkisto: 02 – Terminologia ja merkinnät

2.5 Komposiittirakenteiden mekaniikka

Komposiittirakenteiden mekaaniset mallit pohjautuvat samoihin lähtökohtiin kuin muutkin rakennemallit. Kirjan rakennetarkasteluissa tehtäviä perusoletuksia ovat materiaalien homogeenisuus ja lineaariselastinen käyttäytyminen.

Homogeenisuus tarkoittaa, että materiaalin ominaisuudet ovat kaikkialla samanlaiset. Tämä oletus pätee hyvin komposiitin aineosille. Kun aineosista muodostetaan komposiitti, lopputulos on aina epähomogeeninen. Rakenteeltaan yksinkertainen komposiitti voidaan kuitenkin ajatella makroskooppisesti homogeeniseksi eli makroskaalassa samanlaiseksi eri tarkastelupisteissä. Esimerkiksi kuitulujitetun kerroksen ominaisuudet ovat samanlaiset kaikissa kerrostason pisteissä, jolloin sitä voidaan tarkastella makroskooppisesti homogeenisena.

Materiaalin tai materiaaliyhdistelmän lineaariselastinen käyttäytyminen tarkoittaa, että muodonmuutokset materiaalissa kasvavat suoraan verrannollisina kuormaan ja häviävät, kun kuormitus poistetaan. Tämä oletus voidaan yleensä tehdä, kun kuormitus on riittävän alhainen ja lyhytaikainen. Rakenteellisissa sovellutuksissa eniten käytetyille kuitulujitetuille komposiiteille oletus on varsin hyvä, koska lujittavat kuidut käyttäytyvät katkeamiseensa asti likimain lineaariselastisesti.

Tavanomaisten rakenteiden mekaanisissa malleissa rakennemateriaali oletetaan yleensä myös isotrooppiseksi, mikä tarkoittaa sitä, että materiaalin ominaisuudet ovat tarkastelusuunnasta riippumattomat. Oletus on järkevä joissakin tapauksissa myös komposiiteille. Esimerkiksi täyteaineiset ja lyhyillä, satunnaisesti suuntautuneilla kuiduilla lujitetut muovit ovat makroskaalassa isotrooppisia. Suunnatuilla kuiduilla lujitetut muovit ovat sen sijaan aina anisotrooppisia eli niiden ominaisuudet ovat tarkastelusuunnasta riippuvaiset.

Matriisimuovit voidaan käytännössä useimmiten olettaa isotrooppisiksi. Lujitekuidulla pituussuuntaiset ominaisuudet voivat poiketa poikittaissuuntaisista ominaisuuksista. Ominaisuudet poikittaistasossa ovat kuitenkin likimain tarkastelusuunnasta riippumattomat. Lujitekuitu on tällöin tasoisotrooppinen (transversely isotropic) ja sen poikittaistasoa kutsutaan isotropiatasoksi.

Kuitulujitettujen kerrosten ominaisuudet ovat myös suuntautuneet, mutta eivät mielivaltaisella tavalla. Yhdensuuntaiskerroksen ominaisuudet kuituja vastaan kohtisuorassa tasossa ovat kaikissa suunnissa likimain samanlaiset, joten kerros voidaan olettaa tässä tasossa makroskaalassa tasoisotrooppiseksi. Myös mattolujitettu kerros on makroskaalassa tasoisotrooppinen, koska lujitematossa kuidut ovat satunnaisesti suuntautuneet. Mattokerroksella isotropiataso on kuitenkin kerrostaso. Kudoksella lujitetulla kerroksella ei enää ole isotropiatasoa. Rakenne omaa kuitenkin kolme pääsuuntien (kuitusuunnat ja paksuussuunta) määrittelemää tasoa, joiden suhteen ominaisuudet ovat symmetriset. Tällaisen kerroksen tai vastaavasti käyttäytyvän muun materiaalisysteemin sanotaan olevan ortotrooppinen.

Komposiittirakenteiden mekaanisessa mallinnuksessa käytetyt termit ja merkinnät selvitetään tarkemmin seuraavissa kappaleissa lähtöoletuksia vastaten.

2.5.1 Jännitykset ja venymät

Materiaalin kuormitustila kuvataan tavallisesti jännityksinä. Määrittelyn mukaan jännitys on kuorma pinta-alayksikköä kohti. Jännitykset jaetaan veto- ja puristuskuormien aiheuttamiin normaalijännityksiin ja leikkausvoimien aiheuttamiin leikkausjännityksiin.

Yleisessä tapauksessa materiaalin jännitystilan kuvaamiseen tarvitaan kuusi jännityskomponenttia. Kuvan 2.12 xyz-koordinaatistossa nämä ovat koordinaattiakselien suuntaiset normaalijännitykset ja leikkausjännitykset akselien määrittelemissä tasoissa.

Jännitystila esitetään usein jännityskomponenttien määrittelemänä jännitysvektorina. Komponenttien järjestys vektorissa on sovittava. Tässä kirjassa vektoriesitystä käytetään erityisesti laminaattien mekaniikkaa käsittelevässä luvussa 8. Komponenttien järjestys lokaalissa 123-koordinaatistossa ja globaalissa xyz-koordinaatistossa määritellään seuraavasti:

Kuva 2.12 Materiaalin yleinen jännitystila.

                                                                    (2.1)

Kuormitus aiheuttaa materiaaliin muodonmuutoksia, jotka esitetään normaalivenyminä ja liukumina. Määritelmän mukaan normaalivenymät ex, ey ja ez ovat materiaalin suhteelliset pituuden muutokset x-, y– ja z-akselien suunnissa (kuva 2.13):

                                                                (2.2)

Liukuma eli liukukulma radiaaneina kuvaa leikkausjännityksen aikaansaamaa muodonmuutosta (kuva 2.13). Se voidaan määritellä kahdella tavalla, kokonaisliukumana gxy tai kokonaisliukuman puolikkaana exy = gxy/2 (kuva 2.13). Tässä kirjassa leikkausmuodonmuutos kuvataan yleisemmän käytännön mukaisesti kokonaisliukumana, jota usein myös kutsutaan tekniseksi liukumaksi.

Kuva 2.13 Materiaalin normaalivenymä ja liukuma.

Mekaniikkatarkasteluissa (luku 8) venymätilat esitetään jännitystiloja vastaten venymäkomponenttien muodostamina vektoreina:

                                                                     (2.3)

Ohuissa levy- ja laattarakenteissa paksuussuuntainen normaalijännitys sz ja levytasoa vastaan kohtisuorissa tasoissa vaikuttavat leikkausjännitykset tyz ja tzx ovat usein merkityksettömän pieniä. Tällöin jännitysvektorit supistuvat muotoon:

                                                                                          (2.4)

Oletuksen sz = tyz = tzx = 0 mukaista jännitystilaa kutsutaan tasojännitystilaksi, joka on myös luvun 8 mekaniikkatarkastelujen lähtökohta.

Tavallisesti ohuiden rakenteiden venymätarkastelut voidaan myös rajoittaa levytasoon, jolloin venymävektorit supistuvat luvussa 8 käytettyyn muotoon:

                                                                                           (2.5)

2.5.2 Laminaatin kuormitukset

Komposiittirakenteet ovat tavallisesti ohuita tai ohuehkoja laminaatteja, joita kuormittavat tasovoimat, momentit ja tasoa vastaan kohtisuorat leikkausvoimat. Yleisen käytännön mukaan kuormat määritellään laminaatin leveysyksikköä kohti. Voiman yksikkö on näin N/m ja momentin Nm/m.

Tasovoimille xy-koordinaatistossa käytetään merkintöjä Nx, Ny ja Nxy, joista kaksi ensimmäistä ovat akselien suunnissa vaikuttavat normaalivoimat ja kolmas xy-tasossa vaikuttava leikkausvoima. Laminaattiin vaikuttavat tasovoimat esitetään tavallisesti vektorimuodossa:

                                                                                         (2.6)

Momenteille käytetään vastaavasti merkintöjä Mx, My ja Mxy. Yleisen käytännön mukaisesti Mx on laminaattia x-akselin suunnassa taivuttava momentti, My laminaattia y-akselin suunnassa taivuttava momentti ja Mxy laminaattiin kohdistuva vääntömomentti. On syytä huomata, että käytäntö poikkeaa lujuusopin normaalikäytännöstä, jossa taivutusmomentin alaindeksi määrittelee akselin, jonka ympäri taivutus vaikuttaa. Tasovoimien tapaan laminaatin pisteessä vaikuttavat momentit esitetään tavallisesti vektorimuodossa:

                                                                                      (2.7)

Laminaattitasoa vastaan kohtisuoria leikkausvoimia merkitään Qx:llä ja Qy:llä. Näistä edellinen on zx-tasossa, jälkimmäinen yz-tasossa vaikuttava leikkausvoima leveysyksikköä kohti. Nämäkin voimat esitetään yleensä vektorimuodossa:

                                                                        (2.8)

Voimien ja momenttien positiiviset suunnat määritellään kuvan 2.14 mukaisesti.

Kuva 2.14 Laminaattia kuormittavien voimien ja momenttien positiiviset suunnat.

2.5.3 Laminaatin venymät

Tasovoimat ja taivutusmomentit aiheuttavat laminaattiin venymiä. Laminaatin poikkileikkaustasojen oletetaan säilyvän kuormituksessa tasoina, jolloin laminaatin tasovenymät ovat z-koordinaatin lineaarisia funktioita. Venymätila voidaan kuvata keskitason venyminä ja taivutusvenyminä:

                                        (2.9)

missä yläindeksi 0 viittaa laminaatin keskitason venymiin ja yläindeksi f taivutusvenymiin (kuva 2.15).

Kuva 2.15 Laminaatin venymätila yhdistetyssä tasokuormituksessa ja taivutuksessa.

Lausekkeesta (2.9) saadaan edelleen kuvassa 2.15 esitetyt ylä- ja alapinnan venymät, kun z-koordinaatin arvoiksi annetaan z = – h/2 (yläpinta) ja z = h/2 (alapinta). Edellisen perusteella keskitason venymät ja taivutusvenymät voidaan myös esittää laminaatin pintavenymien avulla:

                                      (2.10)

missä yläindeksi t viittaa laminaatin yläpintaan ja yläindeksi b laminaatin alapintaan.

2.5.4 Laminaatin jännitykset

Laminaattirakenteen todellisen jännitystilan kuvaaminen ei ole yhtä suoraviivaista kuin homogeenisesta ja isotrooppisesta materiaalista valmistetun rakenteen. Erilaisista kerroksista ja kerrossuuntauksista johtuen jännitykset vaihtelevat kerroksesta toiseen. Jännityksiä arvioidaan yleensä olettamalla kerrokset makroskooppisesti homogeenisiksi. Tällä oletuksella lineaariselastisesti käyttäytyvistä kerroksista muodostetun laminaatin tasojännitysjakautuma on epäjatkuva: jännitys on kunkin kerroksen sisällä z-koordinaatin lineaarinen funktio, mutta muuttuu hyppäyksellä kahden erilaisen tai erisuuntaisen kerroksen rajapinnassa. Tätä havainnollistaa kuvassa 2.16 esitetty symmetrisen laminaatin jännitysjakautuma taivutuksessa.

Kuva 2.16 Symmetrisen laminaatin tasovenymä ja tasojännitys taivutuksessa.

Käytännön tarkasteluissa laminaatinkin kuormitustilaa kuvataan jännityksillä. Kyseessä eivät kuitenkaan ole todelliset jännitykset vaan keskimääräiset, ns. normalisoidut jännitykset. Normalisoitu tasojännitys määritellään yksinkertaisesti jakamalla laminaattiin kohdistuva tasokuorma laminaatin paksuudella. Normalisoitu tasojännitysvektori on näin ollen

                                                                     (2.11)

missä yläindeksi 0 viittaa normalisoituun arvoon.

Normalisoitu taivutusjännitys on laminaatin pinnalla vaikuttava näennäinen jännitys vastaten jännitysjakautumaa, joka on z-koordinaatin lineaarinen funktio, vaihtaa merkkiään laminaatin keskitasossa ja aiheuttaa saman venymätilan kuin todellinen kuorma (kuva 2.17). Näin määritellen normalisoitujen taivutusjännitysten ja momenttien välillä on yhteys:

                                                                  (2.12)

missä yläindeksi f viittaa normalisoituun taivutusjännitykseen.

Kuva 2.17 Symmetrisen laminaatin tasojännitysjakautuma taivutuksessa ja normalisoitu taivutusjännitys.

Isotrooppisen, lineaariselastisen materiaalin käyttäytymistä aksiaalikuormituksessa kuvaa Hooken laki

                                                                                                                  (2.13)

missä kokeellisesti määritettävä kimmomoduli E ilmaisee materiaalin jäykkyyden veto-/puristuskuormituksessa. Kuormitus aiheuttaa muodonmuutosta myös kuormaa vastaan kohtisuorassa suunnassa. Tämän muodonmuutoksen määrittelee niin ikään kokeellisesti määritettävä materiaalin Poissonin vakio n :

                                         (2.14)

Materiaalin jäykkyyden leikkauskuormituksessa määrittelee kimmomodulia E vastaava liukumoduli G:

                                                                                                                   (2.15)

Kimmomodulia, liukumodulia ja Poissonin vakiota kutsutaan materiaalin kimmoarvoiksi. Ne määrittelevät täysin isotrooppisen, lineaariselastisen materiaalin käyttäytymisen staattisessa kuormituksessa. Kimmoarvoista vain kaksi on riippumatonta. Niiden välillä voidaan osoittaa olevan yhteys:

                                                                                                          (2.16)

Lineaariselastisten laminaattien käyttäytymistä kuvataan vastaavilla kimmoarvoilla. Laminaattien anisotrooppisuudesta johtuen kimmoarvot ovat kuitenkin tarkastelusuunnasta tai tarkastelutasosta riippuvaiset.  Lisäksi on huomattava, että laminaatin kimmomoduli kuvaa sen todellisen venymän ja keskimääräisen eli normalisoidun jännityksen välisen yhteyden.

Ominaisuuksien suuntautumisesta johtuen laminaatin kimmomodulia ilmoitettaessa on aina ilmaistava tarkastelusuunta. Suunta ilmaistaan alaindeksillä. Kirjassa modulit indeksoidaan samaan tapaan kuin venymät ja jännitykset. Esimerkiksi suure E1 on kerroksen kimmomoduli akselin 1 suunnassa, Ex vastaavasti laminaatin kimmomoduli x-akselin suunnassa. Liukumodulin alaindeksoinnilla osoitetaan tarkastelutaso. Esimerkiksi G12 on kerroksen liukumoduli 12-tasossa, Gxy laminaatin liukumoduli xy-tasossa.

Poissonin vakio varustetaan niin ikään kahdella alaindeksillä, joista toinen kuvaa kuormituksen suunnan ja toinen tätä vastaan kohtisuoran suunnan, jonka suhteellisen venymän Poissonin vakio kuvaa. Kirjassa indeksien järjestys vastaa yleisintä käytäntöä, jossa ensimmäinen indekseistä kuvaa kuormituksen suunnan. Näin esimerkiksi Poissonin vakio nxy kuvaa laminaatin suhteellisen venymän y-akselin suunnassa, kun laminaattia kuormitetaan x-akselin suunnassa.

Kerrosrakenteen seurauksena laminaatin tasojäykkyyttä kuvaavat modulit eivät kuvaa sen taivutusjäykkyyttä. Laminaatille onkin erikseen määritettävä taivutuskimmomodulit, joiden suunta on myös osoitettava. Taivutusmodulien symboleja ovat tässä kirjassa Ef ja Gf varustettuna tarkastelusuunnan tai -tason osoittavin alaindeksein.

Lopuksi on huomattava, että kimmo- ja liukumodulit sekä Poissonin vakiot eivät kaikissa tapauksissa riitä kuvaamaan laminaatin käyttäytymistä täydellisesti. Täydellisempi malli laminaatin käyttäytymiselle esitetään luvussa 8.

2.5.6 Laminaatin lujuudet

Laminaatin lujuusarvot ovat laminaatin normalisoituja jännityksiä sen pettämishetkellä. Kimmoarvojen tapaan lujuus on tarkastelusuunnasta riippuvainen. Tarkastelusuunta tai -taso osoitetaan lujuusarvojen symboleissa vastaavaan tapaan kuin kimmoarvojen symboleissa.

Monille laminaateille on tyypillistä vaiheittainen pettäminen. Tietyn kuormitustason alapuolella laminaatti pystyy kantamaan kuormat vaurioitumatta. Kun tämä kuormitustaso ylitetään, laminaattiin syntyy vaurioita, jotka ovat pääosin paikallisia matriisimurtumia ja matriisi/kuitu-sidosten pettämisiä. Kuormituksen kasvaessa vauriot lisääntyvät ja lopulta laminaatti pettää. Vauriorajaa vastaavaa normalisoitua jännitystä kutsutaan kirjassa vaurioitumisjännitykseksi ja lopullisen pettämisen aiheuttavaa jännitystä murtojännitykseksi. Lujuusarvojen symboleissa kuormitus- ja pettämistapa osoitetaan tarkastelusuunnan tai -tason ohella alaindeksissä seuraavasti:

  • t tarkoittaa vetokuormitusta (tension)
  • c tarkoittaa puristuskuormitusta (compression)
  • f tarkoittaa vaurioitumisjännitystä (first failure stress)
  • u tarkoittaa murtojännitystä (ultimate stress).

Esimerkiksi laminaatin lopullisen pettämisen aiheuttavan x-akselin suuntaisen normalisoidun vetojännityksen symboli on sx,tu. Vastaavasti symboli txy,f tarkoittaa vaurioitumisjännityksen normalisoitua arvoa xy-tason leikkauskuormituksessa.

Kirjallisuutta

  1. Terminologian sanasto. Tekniikan sanastokeskus TSK 9. Offset-Repro Oy, Helsinki 1986.
  2. Muovitermit. Muoviyhdistys ry, Jyväskylä 1992.
  3. Engineered Materials Handbook, Volume 1, Composites. ASM International, USA 1987.
  4. Lee S.M. (ed.), Dictionary of Composite Materials Technology. Technomic Publishing Company, Inc., USA 1989.

2.4 Komposiittirakenteet

2.4.1   Rakennetyypit

Muovikomposiittituote on usein levymäinen rakenne, jossa yhdensuuntaiset lujitekuidut, lujitekudokset, -punokset tai -matot ovat kerroksittain levytasossa (kuva 2.5). Tällaista kerroksista muodostuvaa rakennetta kutsutaan laminaatiksi.Usein nimike täsmennetään lujitteen käyttömuodon, lujitteiden suuntauksen, kerrosten pinoamisjärjestyksen ja laminaatin rakenteen perusteella.

Kuva 2.5 Laminaattirakenteinen jäykistetty levy.

Yleisimpiä lujitteen käyttömuotoja ovat kudokset ja matot. Käyttömuodon määrittelevä laminaatin täsmennetty nimike on tällöin kudos- tai mattolaminaatti.

Lujitesuuntaukseltaan yksinkertaisin laminaatti on yhdensuuntaislaminaatti (unidirectional laminate), jossa kaikki kuidut ovat referenssikoordinaatiston pääakselin suunnassa eli 0°-suunnassa. Ristikkäislaminaatissa (cross-ply laminate) kuidut ovat pääakselin suunnassa ja sitä vastaan kohtisuorassa suunnassa eli suunnissa 0° ja 90°. Kulmaladotussa laminaatissa (angle-ply laminate) kuitukerrokset ovat pareittain kahdessa suunnassa, jotka eroavat toisistaan vain etumerkiltään. Yksinkertaisimmassa kulmaladotussa laminaatissa on kaksi kerrosta, toinen suunnassa + ja toinen suunnassa – pääakseliin nähden. Balansoiduissa laminaateissa (balanced laminates) muut kuin pääsuuntiin 0° ja 90° suunnatut kuitukerrokset esiintyvät pareittain niin, että jokaisen +-suuntaisen kerroksen parina on –-suuntainen kerros. Balansoitu laminaatti voi sisältää myös useita kerrospareja eri suuntakulman itseisarvoilla. Määrittelyjen mukaisesti ristikkäislaminaatit ja kulmaladotut laminaatit ovat balansoitujen laminaattien erikoistapauksia.

Kerrosten pinoamisjärjestyksen perusteella laminaatit luokitellaan symmetrisiksi, antisymmetrisiksi ja epäsymmetrisiksi. Ensiksi mainitut ovat materiaaleiltaan ja kerrossuuntauksiltaan symmetrisiä laminaatin keskitason suhteen. Antisymmetrisissä laminaateissa keskitason molemmin puolin on samassa kohdassa samanlainen kerros niin, että toinen niistä on suunnassa + ja toinen suunnassa –. Antisymmetrinen laminaatti voi lisäksi sisältää 0°- ja 90°-suuntaisia kerroksia, jotka esiintyvät pareittain sijoittuen symmetrisesti laminaatin keskitasoon nähden. Edellä olevien määritelmien ulkopuolelle jäävät laminaatit ovat epäsymmetrisiä.

Pelkästään kuitulujitetuista kerroksista koostuvaa laminaattia kutsutaan monoliittiseksi laminaatiksi. Toinen yleinen laminaattirakenne on kerroslevy, joka muodostetaan liimaamalla kahden ohuehkon pintalevyn väliin kevyt ydinaine (kuva 2.6). Kerroslevy on kevyt ja jäykkä, minkä lisäksi rakenne on mahdollista suunnitella hyvin ääntä ja lämpöä eristäväksi. Pintalevyt ovat usein kuitulujitettuja laminaatteja. Yleisimpiä ydinaineita ovat solumuovit, balsa sekä alumiinista, muovista tai lujitetusta muovista valmistetut kennolevyt.

Kuva 2.6 Kerroslevyrakenne.

2.4.2 Rakennemäärittely

Kuitulujitettu komposiittirakenne on huomattavasti hankalampi määritellä kuin vastaava homogeenisesta materiaalista valmistettu rakenne. Määriteltäviä seikkoja ovat geometrian ohella materiaalit ja niiden seossuhteet, laminaattirakenne sekä valmistusprosessi.

Materiaalimäärittelyjen tulee yksikäsitteisesti selvittää, mistä raaka-aineista tuote valmistetaan. Oleellista on lisäksi määritellä raaka-aineiden seossuhteet valmistuksessa ja lopputuotteessa. Nämä voidaan ilmoittaa vaihtoehtoisesti paino-osuuksina tai tilavuusosuuksina. Osuudet ilmoitetaan tavallisesti prosentteina. Käytettävä suure on aina määriteltävä, koska raaka-aineiden tiheydet ovat erilaiset. Yleisin ja tässäkin kirjassa sovellettu tapa on käyttää paino-osuudelle merkintää p% (paino) ja tilavuusosuudelle merkintää t% (tilavuus). Vastaavat merkinnät englanninkielisessä kirjallisuudessa ovat paino-osuudelle w%  (weight) ja tilavuusosuudelle v% (volume).

Laminaattirakenne kuvataan kerros kerrokselta määrittelemällä kunkin kerroksen materiaalit ja suuntaus kerrosten pinoamisjärjestyksessä. Määrittelyssä käytetään kahta koordinaatistoa. Jokaiseen kerrokseen kiinnitetään lokaali kerroskoordinaatisto, jonka akselit tavallisesti numeroidaan (123). Kerrostason akselit 1 ja 2 yhtyvät kerroksen pääsuuntiin. Yhdensuuntaiskerroksessa akseli 1 on tavallisesti lujitekuitujen suuntainen, kudoskerroksessa kudoksen pituussuunnassa. Akseli 3 suuntautuu alaspäin. Koordinaatiston origo on kerroksen keskitasossa. Määrittelyn mukainen ja kirjassa systemaattisesti käytetty kerroskoordinaatisto on esitetty kuvassa 2.7.

Kuva 2.7 Kerroskoordinaatisto.

Laminaatin ominaisuudet kuvataan globaalissa xyz-koordinaatistossa, jota kutsutaan laminaattikoordinaatistoksi. Sen xy-taso on laminaattitasossa. Akseli z yhtyy laminaatin muodostavien kerrosten 3-akseleihin. Koordinaatiston origo on laminaatin keskitasossa. Määrittelyn mukainen ja kirjassa systemaattisesti käytetty laminaattikoordinaatisto on esitetty kuvassa 2.8.

Kuva 2.8 Laminaattikoordinaatisto.

Laminaatin yläpinnaksi määritellään pinta, jonka z-koordinaatin arvo on negatiivinen. Kerrokset numeroidaan juoksevasti yläpinnasta alapintaan (kuva 2.9). Rakennemäärittelyssä kuvataan jokaisen kerroksen materiaalit ja kerroksen suuntaus. Suuntaus määritellään laminaattikoordinaatiston ja kerroskoordinaatiston välisen kulman q arvolla. Kulman positiivinen suunta määritellään yleisimmin kuvan 2.10 mukaisesti. Määrittelyä noudatetaan systemaattisesti myös tässä kirjassa.

Kuva 2.9 Laminaatin kerrosnumerointi.

Kuva 2.10 Laminaatti- ja kerroskoordinaatiston välinen kulma q.

Laminaattirakenne kuvataan usein niin sanotulla laminaattikoodilla. Koodi on standardoimaton ja esiintyy eri lähteissä hieman eri muodoissa. Kirjassa käytettävässä koodissa kerrosten suuntakulmat merkitään hakasulkuihin kauttaviivoin erotettuina yläpinnasta alkaen. Päällekkäin pinottujen samansuuntaisten kerrosten lukumäärä määritellään kyseisen kuitusuunnan kertoimella. Jos laminaatti on keskitasonsa suhteen symmetrinen, koodataan vain puolikas laminaattia ja osoitetaan symmetria hakasulkujen perään sijoitettavalla kirjaimella S (Symmetric). Täsmällisemmässä esitystavassa käytetään kirjainparia SO (Symmetric Odd) tai SE (Symmetric Even) ilmaisemaan, onko keskimmäinen kerros pariton vai parillinen (eli onko laminaatissa pariton vai parillinen määrä kerroksia). Jos laminaatti muodostetaan useista erityyppisistä kerroksista, kerrostyyppi esitetään suuntakulman alaindeksillä (a,b,c,…). Kunkin indeksin merkitys eli indeksiä vastaava kerrostyyppi esitetään erikseen.  Esimerkkejä laminaattikoodin käytöstä on kuvassa 2.11.

Kuva 2.11 Laminaattikoodin käyttöesimerkkejä.

2.3 Valmistusmenetelmät

Muovikomposiittirakenteiden valmistukseen on kehitetty vuosien aikana lukuisia menetelmiä. Ne voidaan ryhmitellä kuvan 2.4 mukaisesti (1) laminointimenetelmiin, (2) injektiomenetelmiin, (3) puristusmenetelmiin ja (4) jatkuvatoimisiin menetelmiin. Ryhmittely perustuu tällöin kappaleen muotoilussa käytettyyn tekniikkaan. Laminointimenetelmissä lujite ja matriisi muotoillaan muotin mukaiseksi kerroksittain. Injektiomenetelmissä kappale valmistetaan syöttämällä matriisimuovi tai matriisimuovin ja lujitteen seos yli- ja/tai alipaineen avulla muottiin. Puristusmenetelmissä raaka-aine annostellaan avattuun muottiin, minkä jälkeen tuote muotoillaan puristamalla muottipuoliskot yhteen. Jatkuvatoimisissa menetelmissä putkia, profiileja ja levyjä muotoillaan jatkuvatoimisesti suulakkeiden tai valssien avulla.

Toisinaan ryhmittely tehdään myös muottityypin mukaan avoimia eli yksipuolisia muotteja käyttäviin menetelmiin, suljettuja muotteja käyttäviin menetelmiin sekä erilaisia suulakkeita tai valsseja muottina käyttäviin jatkuvatoimisiin menetelmiin.

Kuva 2.4 Muovikomposiittirakenteiden valmistusmenetelmät.

Muovikomposiittituotteita valmistetaan myös edellä esitettyjen perusmenetelmien yhdistelmillä. Tästä esimerkkinä on putkimaisten tuotteiden valmistuksessa käytetty kuitukelauksen ja suulakevedon yhdistelmä.

Valmistusmenetelmä tai niiden yhdistelmä säädetään valmistettavan tuotteen ja käytettyjen raaka-aineiden mukaan. Tärkeimpiä valmistusteknisiä parametreja ovat raaka-aineiden ja muottien lämpötilat, injektio- tai puristuspaineet sekä kertamuovipohjaisten tuotteiden kovetusajat ja -lämpötilat.

2.2 Raaka-aineet

2.2.1   Muovit

Muovit ovat suurimolekyylisiä, synteesireaktiossa syntyviä aineita eli polymeerejä, joihin tavallisesti on sekoitettu pieniä määriä lisäaineita: apuaineilla pyritään helpottamaan muovituotteen valmistusta, seos- ja täyteaineilla modifioimaan lopputuotteen ominaisuuksia. Käytön kannalta muovien tärkeimpänä perusominaisuutena on muovattavuus jossain käsittelyvaiheessa.

Muovattavuusominaisuuksien perusteella muovit jaetaan kahteen laajaan pääryhmään. Suuremman näistä muodostavat kestomuovit. Niiden molekyylit ovat pitkiä polymeeriketjuja, joiden välillä ei ole kemiallisia sidoksia (kuva 2.2). Molekyylejä yhdessä pitävät voimat heikkenevät, kun muovia lämmitetään ja vahvistuvat muovia jäähdytettäessä. Näin kestomuoveja voidaan toistuvasti muovata lämmön ja paineen avulla. Kestomuoveja ovat esimerkiksi polyeteenit, polypropeenit ja polyamidit.

Kuva 2.2 Kesto- ja kertamuovien rakenne.

Pienempää muovien pääryhmää kutsutaan kertamuoveiksi. Kertamuovin perusraaka-aineena on hartsi, josta kertamuovi syntyy kemiallisessa kovettumisreaktiossa. Reaktiossa hartsin polymeeriketjut ristisilloittuvat eli kytkeytyvät toisiinsa kemiallisin sidoksin kuvan 2.2 kaltaiseksi verkkomaiseksi rakenteeksi. Verkottunutta rakennetta ei enää voi uudelleen muovata. Tunnetuimpia kertamuoveja ovat tyydyttymättömät polyesterit, epoksit ja fenolit.

Muovikomposiittirakenteissa matriisiaine on useimmiten kertamuovi. Perushartsi voi sisältää pienehköjä määriä seos-, täyte- ja apuaineita. Seos- ja täyteaineilla parannetaan mm. iskunkestävyyttä ja paloturvallisuutta. Apuaineita käytetään esimerkiksi hartsin viskositeetin säätelyyn.

Osa hartseista saadaan kovettumaan lämmön tai muun ulkoisen energian avulla. Moneen hartsiin on kuitenkin lisättävä verkottumisen aikaansaava tai sen alulle paneva aineosa, jota kutsutaan kovetteeksi. Toiset kertamuovit kovettuvat tämän jälkeen ilman ulkoista energiaa, toiset tällöinkin vain ulkoisen energian avulla. Kovettumisreaktio on eksoterminen eli lämpöä tuottava. Reaktiossa hartsin tilavuus pienenee jonkin verran. Tätä ilmiötä kutsutaan kovettumiskutistumaksi.

Kertamuovin kovettumisreaktio etenee aluksi hitaasti, mikä mahdollistaa tuotteen valmistamisen kovetteen sisältävästä hartsista. Aikaa, joka tuotteen valmistamiseen on käytettävissä, kutsutaan geeliajaksi. Se määritetään mittaamalla, milloin hartsin viskositeetti on kasvanut tiettyyn arvoon kovetteen sekoittamisen jälkeen. Geeliajan umpeuduttua kovettumisreaktio etenee nopeasti ja samalla laminaatin lämpötila nousee. Korkeinta kovettumisreaktiossa esiintyvää lämpötilaa kutsutaan eksotermin huippulämpötilaksi. Kovettumisreaktion aikaisia lämpötiloja havainnollistaa kuva 2.3.

Kuva 2.3 Kertamuovilaminaatin lämpötila kovettumisreaktion aikana.

2.2.2   Lujitteet

Rakenteellisesti parhaat muovikomposiitit aikaansaadaan lujittamalla matriisimuovi ohuilla kuiduilla, joita yleisesti kutsutaan lujitteiksi tai lujitekuiduiksi. Tunnetuimpia lujitekuituja ovat lasikuidut, hiilikuidut ja aromaattiset polyamidikuidut eli aramidikuidut, joita kaikkia valmistetaan useita eri tyyppejä.

Yksittäiset kuidut ovat millin tuhannesosien paksuisia ja ne kootaan jatkojalostuksessa kierteettömiksi kuitukimpuiksi tai kierretyiksi langoiksi. Jatkojalostettua kierteetöntä lasikuitukimppua nimitetään yleisesti rovingiksi, hiilikuitukimppua vastaavasti touviksi.

2.2.3   Lujitteiden käyttömuodot

Kuitukimppuja ja lankoja käytetään joskus sellaisenaan muovikomposiittituotteen valmistukseen. Moniin valmistusmenetelmiin soveltuvat kuitenkin paremmin kuitukimpuista ja langoista tuotetut jatkojalosteet, joita valmistetaan myös kahta tai useampaa kuitulaatua sisältävinä hybridituotteina.

Eniten muovikomposiittituotteiden valmistuksessa käytetään ns. tasolujitteita, joista yleisimpiä ovat lujitematot ja lujitekankaat. Lujitematto valmistetaan jatkuvista tai katkotuista lujitekuiduista sideaineen avulla niin, että kuidut ovat maton tasossa satunnaisesti suuntautuneet. Tuotteille käytetään yleisesti nimikkeitä jatkuvakuituinen matto ja katkokuitumatto. Kevyttä lujitemattoa kutsutaan toisinaan myös huovaksi. Lujitekankaista yksinkertaisin on yhdensuuntaiskangas, jossa keskenään samansuuntaiset kuitukimput on yhdistetty toisiinsa sidelangoilla. Toinen yleisesti käytetty kangastyyppi on kudos, jossa toisiaan vastaan kohtisuorat lujitekimput tai -langat risteilevät toistensa yli ja ali. Saatavilla on myös kerroskankaita, joissa useita kuitukerroksia on yhdistetty toisiinsa tikkaamalla tai neulomalla. Kun kuitujen suunta vaihtelee kerroksittain, kerroskangasta kutsutaan moniaksiaalikankaaksi tai moniaksiaalilujitteeksi.

Punokset ovat lujitekimpuista tai -langoista punomalla valmistettuja nauhoja ja letkuja. Punomalla valmistetaan myös malleja apuna käyttäen lopputuotteen muodon mukaisia lujiteaihioita.

Niin kutsutuissa 3D-lujitetuotteissa merkittävä osa lujitekuiduista risteilee tuotteen paksuussuunnassa. Tuotteita valmistetaan kutomalla, punomalla ja neulomalla.

2.2.4   Täyteaineet

Matriisimuoviin merkittävässä määrin sekoitettavia kiinteitä partikkeleita kutsutaan täyteaineiksi. Täyteaineena käytetään mm. hienojakoisia mineraaleja, jauhemaista lasia tai metallia sekä eri materiaaleista valmistettuja onttoja tai umpinaisia palloja.

Täyteaineen käyttötarkoitus vaihtelee. Toisinaan halutaan alentaa raaka-ainekustannuksia tai nopeuttaa valmistusta, toisinaan taas keventää lopputuotetta tai parantaa sen lämmön- tai sähkönjohtavuutta. Mekaanisia ominaisuuksia täyteaineilla pystytään parantamaan vain vähän, kun vertailukohtana käytetään lujitekuiduilla saavutettavissa olevia ominaisuuksia.

2.2.5   Puolivalmisteet

Muovikomposiitin kaikki aineosat voidaan yhdistää jo ennen lopputuotteen valmistusta. Tällaisia tuotteita kutsutaan yleisesti puolivalmisteiksi. Niiden käytöllä pyritään useimmiten nopeuttamaan lopputuotteen valmistusta ja/tai parantamaan lopputuotteen ominaisuuksia. Puolivalmisteet voidaan jakaa kolmeen ryhmään: puristemassoihin, esikyllästettyihin lujitteisiin eli prepregeihin ja yhdistelmätuotteisiin, joissa lujitteet ja matriisimuovi ovat vielä erillään toisistaan.

Puristemassoja valmistetaan sekoittamalla ja puristamalla raaka-aineet yhdeksi kokonaisuudeksi. Massa voi käytännössä olla myös levymäinen tuote, millä pyritään helpottamaan raaka-aineen annostelua ja/tai levymäisen tuotteen valmistusta. Puristemassoille ja -levyille on tyypillistä raaka-aineen virtaaminen muotissa tuotetta valmistettaessa. Kertamuovipohjaisissa puristemassoissa hartsina on tavallisesti polyesteri ja lujitteena lasikuitu. Tavallisesti massa sisältää lisäksi täyteaineita sekä useita seos- ja apuaineita. Kestomuovipohjaisia massoja ovat erilaiset lyhyitä katkokuituja ja täyteaineita sisältävät kompaundit, joita käytetään yleensä rakeina. Rakeita kutsutaan usein myös pelleteiksi tai granulaatiksi. Tasolujitetta sisältävissä kestomuovipohjaisissa puristelevyissä muoviaineena on tyypillisesti polypropeeni ja lujitteena lasikuitu.

Esikyllästetyt lujitteet eli prepregit (pre-impregnated) valmistetaan impregnoimalla kuitukimppuja tai kuitukimpuista ja langoista muodostettuja jatkojalosteita matriisimuovilla. Prepregille ominaisia piirteitä ovat korkea lujitepitoisuus ja lujitteiden virtaamattomuus tuotetta valmistettaessa. Selvästi yleisimpiä ovat kertamuovipohjaiset prepregit, joissa hartsi on polymeroitu puolikovaan tilaan. Tätä kovettumisreaktion välivaihetta kutsutaan B-tilaksi. Koska kertamuovipohjaiset puolivalmisteet sisältävät kaikki kovettumiseen tarvittavat aineosat, niiden varastointiajat ovat rajoitetut. Kestomuovipohjaisia prepregejä valmistetaan vasta vähäisessä määrin lähinnä lentokoneteollisuuden tarpeisiin.

Yhdistelmätuotteita on monia erilaisia. Osa näistä on suojattu patentein. Esimerkkejä yhdistelmätuotteista ovat erillisistä lujite- ja hartsikerroksista valmistetut tuotteet, joissa hartsi on B-tilassa samaan tapaan kuin prepregeissä. Matriisimuovi voi olla yhdistelmätuotteessa myös kuituna tai pulverina. Kaikissa tapauksissa yhteistä on se, että lujitteet kyllästetään yhdistelmätuotteen muoviaineella vasta lopputuotteen valmistusprosessissa.

2.1 Komposiitit

2.1    Komposiitit

Komposiitti on yleisnimi kaikille kahden tai useamman materiaalin yhdistelmille, joissa materiaalit toimivat yhdessä, mutta eivät ole liuenneet tai sulautuneet toisiinsa. Joskus materiaalit ovat tasavertaisia niin, ettei niiden tehtävää komposiitin muodostuksessa voi määritellä. Useimmiten komposiitista voidaan kuitenkin nimetä materiaaliyhdistelmän kokonaisuudeksi sitova aineosa, jota kutsutaan matriisiksi. Matriisin yhteen sitomat muut aineosat voivat olla esimerkiksi hienojakoisia partikkeleita tai ohuita kuituja.

Muovikomposiitit ovat yksi komposiittien tärkeimmistä alaryhmistä. Niissä muoviaine toimii komposiitin matriisina. Matriisimuovi voi olla useamman muovin seos, jolloin sekin on jo muovikomposiitti. Muovien ja muoviseosten ominaisuuksia voidaan edelleen modifioida täyteaineilla. Muovikomposiitteihin voidaan lukea kuuluviksi myös solumuovit, joissa muovin tai muoviseoksen ”täyteaineena” on kaasumainen aineosa. Lujien kuitujen ja muoviaineen muodostamia komposiitteja kutsutaan kuitulujitetuiksi muoveiksi, lujitetuiksi muoveiksi ja myös lujitemuoveiksi. Lujittavat kuidut voivat olla jatkuvia tai katkottuja, katkotut kuidut edelleen pitkiä tai lyhyitä. Muovikomposiittien termistöä havainnollistaa kuva 2.1.

Termin muovikomposiittirakenne alkuosa viittaa tuotteeseen, joka on ainakin pääosin valmistettu muovikomposiitista. Sanan loppuosa määrittelee, että tuotteeseen kohdistuu käytössä merkittäviä kuormia.

Kuva 2.1 Muovikomposiitit.

02 – Terminologia ja merkinnät

”Kieli on väline, jonka avulla toisaalta jäsennämme ympäröivää maailmaa, toisaalta välitämme ja vastaanotamme viestejä. Yleiskielen rinnalle on kehittynyt erikoiskieliä, jotka poikkeavat yleiskielestä ennen kaikkea sanastoltaan. Esimerkiksi tieteen ja tekniikan osa-alueilla viestin välittyminen täsmällisesti ja yksiselitteisesti on ehdottoman tärkeää, ja tämä asettaa suuret vaatimukset erikoisalan kielelle.” [1]

Komposiittirakenteet ovat eräs tieteen ja tekniikan osa-alue, jolla on oma erikoiskielensä. Alue on kehittynyt nopeasti ja osittain ennalta arvaamattomasti, minkä seurauksena termistö ja teknisissä tarkasteluissa käytettävät merkinnät eivät ole täysin vakiintuneet. Tässä luvussa kuvataan kirjassa käytetyt tärkeimmät termit ja merkinnät. Ne on valittu yleisintä käytäntöä vastaten. Vierasperäisille termeille on pyritty löytämään kuvaava suomenkielinen vastine. Mikäli tässä ei ole onnistuttu, vierasperäistä termiä on käytetty sellaisenaan tai muunnettuna suomen kieleen sopivaksi. Lukua täydentää kirjan lopussa esitetty sanasto ja symboliluettelo.

Seuraava luku: 2.1    Komposiitit