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 6.1 Yhdensuuntaiskuiduilla 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 6.2 Kuitulujitettujen 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.