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

6.4.1   Yhdensuuntaislaminaatit

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

 

Kuormitus kuitusuunnassa

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

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

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

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

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

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

Kuva 6.11 Kuitulujitetun rakenteen pettämismekanismit kuitujen suuntaisessa puristuksessa.

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

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

Kuormitus poikittaissuunnassa

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

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

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

Leikkaus laminaattitasossa

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

Kuva 6.12 Yhdensuuntaislaminaatin jännitysliukumakuvaaja tasoleikkauksessa.

Taivutus

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

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

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

Kuva 6.13 Yhdensuuntaislaminaatti taivutuskuormituksessa:

(a) kuormitustilanne

(b) normaalijännitysjakauma

(c) leikkausjännitysjakauma.

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

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

Kimmo- ja lujuusarvot

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

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

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

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

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

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

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

6.4.2   Yhdensuuntaiskerroksista valmistetut laminaatit

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

Vetokuormitus

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

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

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

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

Puristuskuormitus

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

Leikkauskuormitus

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

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

Taivutus

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

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

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

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

Kimmo- ja lujuusarvot

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 6.9 Tasavaltaisista kudoksista valmistettujen laminaattien tyypillisiä ominaisuuksia.

6.4.4   Mattolaminaatit

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

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

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

Kuva 6.23 Mattolaminaatin tyypillinen jännitysvenymäkuvaaja ja vaurioituminen vetokuormituksessa.

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

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

6.4.5   Hybridilaminaatit

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

6.4.6   Valmistusprosessin vaikutus ominaisuuksiin

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

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

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

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

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

6.4.7   Käyttöympäristön vaikutukset

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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