6.7.1 Loviherkkyys
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 6.40 Jännitys 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 6.41 Tangentiaalijännityksen 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 6.42 Rakenteen 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 6.43 Iskun 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 6.44 Esimerkki 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 6.45 Materiaalien 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 6.15 Kudoslaminaattien sähköisiä ominaisuuksia.
