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 6.2 Laminaattien 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 6.5 Erään hiilikuitulujitetun laminaatin ja sen matriisimuovin kosteusabsorptio, ympäristön lämpötila 70 °C ja suhteellinen kosteus 85 %. [1]
Kuva 6.6 Ympäristön vaikutus erään epoksimatriisin kosteusabsorptioon. [2]
Kuva 6.7 E-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 6.9 Kerrosten 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.