Materiaalivalinnassa keskeiset tehtävät ovat lujitteen, matriisimuovin ja niiden käyttömuodon valinta. Tapauskohtaisesti voidaan joutua valitsemaan myös muovin täyteaine ja kerroslevyn ydinaine. Valinnan pohjana ovat materiaalien käyttöominaisuudet ja materiaaleilla saavutettavat ominaisuudet, joita on tarkasteltu erikseen luvuissa 3, 4 ja 6. Materiaalivalinnasta esitetäänkin seuraavassa vain lyhyt yhteenveto.

9.4.1   Lujite

Valintaperusteet

Lujitteen tärkeimmät mekaaniset ominaisuudet ovat kimmomoduli ja vetolujuus. Lujitteen valintaprosessin tueksi nämä ominaisuudet esitetään usein tiheyteen suhteutettuina. Suureita kutsutaan ominaisarvoiksi tai eritellen ominaisjäykkyydeksi (specific stiffness, E/ρ) ja ominaislujuudeksi (specific strength, σ/ρ).

Kuvan 9.4 mukaisesti lujitteiden ominaisarvot, erityisesti ominaislujuudet ovat selvästi metallien vastaavia arvoja korkeampia. Kuva vääristää kuitenkin todellisuutta, koska lujitetta on lopputuotteessa parhaimmillaankin vain noin 60 t%. Lisäksi lujitteet joudutaan useimmiten suuntaamaan niin, että rakenne kantaa kohtuullisesti sekä normaali- että leikkausvoimia. Kuvassa 9.5 on realistisempi vertailu, jossa vertailtavina ovat 50 t% lujitetta sisältävien laminaattien tyypilliset ominaisjäykkyydet ja –lujuudet. Arvot on laskettu kvasi-isotrooppisille laminaateille, joiden taso-ominaisuudet ovat likimain samankaltaiset eri suunnissa.

Kuvasta 9.5 voidaan todeta, että lasikuitulujitetun laminaatin ominaisjäykkyys on selvästi vertailumateriaalien ja -laminaattien arvoja alhaisempi. Ominaislujuus on kuitenkin samaa luokkaa metallien tyypillisten ominaislujuuksien kanssa. Hiilikuiduilla taas on mahdollista saavuttaa huomattavasti metalleja korkeampia ominaisjäykkyyksiä ja –lujuuksia, vaikka ominaisuuksien suuntaamismahdollisuutta ei hyödynnetäkään. Aramidikuitulujitetut laminaatit ovat ominaisarvoiltaan hiili- ja lasikuitulujitettujen laminaattien välillä, kun verrataan kuvan 9.5 mukaisesti laminaattien ominaisvetolujuutta. Puristuskuormituksessa aramidikuiduilla lujitetut laminaatit ovat selvästi huonompia (vrt. luku 6).

Kuva 9.4 Lujitekuitujen ja metallien tyypilliset ominaisjäykkyydet ja lujuudet vetokuormituksessa.

Kuva 9.5 Kvasi-isotrooppisten laminaattien ja eräiden metallien tyypilliset ominaisjäykkyydet ja lujuudet vetokuormituksessa, laminaattien lujitepitoisuus 50 t%.

Esitetystä vertailusta on lisäksi huomattava seuraavat seikat:

• Laminaattien ominaisarvot ovat esitettyjä alhaisempia, mikäli valitulla valmistusmenetelmällä ei päästä vertailun pohjana olevaan 50 t%:n lujitepitoisuuteen
• Ominaisarvot paranevat, kun laminaattien jäykkyys- ja lujuusominaisuudet ovat suunnatut ja tarkastellaan laminaatin vetojäykkyyden ja –lujuuden kannalta parasta suuntaa. Tällaisten laminaattien käyttö on mahdollista, kun tuotteeseen kohdistuvat kuormat ovat selvästi suunnatut.
• Vertaillut ominaisarvot antavat kuvan materiaalien ja laminaattien hyvyydestä vain, kun mitoitusperusteena on vetojäykkyys ja/tai -lujuus. Monilla rakenne-elementeillä mitoitusperuste on toinen, jolloin myös vertailuarvot ovat erilaiset. Jos esimerkiksi puristettu sauva pettää nurjahtamalla, oikea suure materiaalien ja laminaattien hyvyysvertailuun on E/ρ:n sijasta √E/ρ, E:n ollessa tässä tapauksessa materiaalin tai laminaatin kimmomoduli sauvan pituussuunnassa.

Materiaalien ja laminaattien vertailuarvoja ei tässä yhteydessä käsitellä tarkemmin. Vertailuarvoja on esitetty eri rakenne-elementti/mitoitusperuste-yhdistelmille mm. lähteessä [1]. Yleisesti laminaatit ovat alhaisen tiheytensä takia näillä vertailuluvuilla mitattuna parempia kuin kuvan 9.5 esimerkissä.

Valinta

Käytännössä lujitteen valinta on usein yksinkertaista. Mikäli tuotteelta ei vaadita erityistä keveyttä tai jäykkyyttä, lujitteeksi valitaan hinnaltaan edullinen E-lasikuitu. S-lasikuidulla on mahdollista päästä hieman kevyempään lopputulokseen ilman kohtuutonta raaka-ainekustannusten kasvua. Kemiallisesti vaativissa kohteissa yleensä E-lasikuidulla lujitettu primäärirakenne voidaan pinnoittaa kerroksella, jossa lujitteena on C-lasikuitu. Pinnoitteena käytetään myös kestomuovikerroksia.

Mikäli lasikuidulla ei ole mahdollista päästä vaadittuun rakennepainoon tai jäykkyyteen, jäävät varteenotettaviksi vaihtoehdoksi useimmiten vain hiilikuidut. Niiden hinta on kuitenkin kertaluokkaa korkeampi kuin lasikuitujen. Hiilikuiduista edullisimpia ovat SM-kuidut, johon hiilikuidun valinnassa yleensä päädytään, jos vaaditut ominaisuudet pystytään niillä saavuttamaan. Korkeampimoduliset IM-kuidut ovat varteenotettavia vaihtoehtoja vaativiin sovelluksiin, esim. lentokonerakenteisiin. Korkeimman modulin omaavat hiilikuitutyypit (HM-kuidut) soveltuvat korkean hintansa ja haurautensa takia lähinnä vain erikoissovelluksiin, esim. avaruusrakenteisiin.

Aramidikuituja käytetään rakenteellisten tuotteiden lujitteena nykyisin melko vähän. Sovelluskohteet ovat lähinnä kevyesti rasitettuja tuotteita, joissa aramidien sitkeys ja keveys ovat erityisesti hyödyllisiä (ks. luku 3). Myös muita lujitteita käytetään lähinnä vain erityistuotteissa tai tuotteelle asetettujen erityisvaatimusten takia.

9.4.2   Lujitteen käyttömuoto

Lujitteen käyttömuodon valinta pohjautuu taloudellisten vaatimusten ja tehokkuusvaatimusten keskinäiseen painotukseen. Valmistusmenetelmä asettaa luonnollisesti myös omat rajoituksensa lujitteen käyttömuotoa valittaessa.

Parhaat mekaaniset ominaisuudet saavutetaan pääsääntöisesti yhdensuuntaislujitteilla. Yhdensuuntaislujite muotoutuu kuitenkin huonosti kaksoiskaareviin pintoihin (kuva 9.6). Yhdensuuntaiskerroksista valmistettu laminaatti on myös hauras ja vaurioituu helposti työstössä (kuva 9.7).

Kuva 9.6 Yhdensuuntaislujitteen ja kudoksen muotoutuvuus kaksoiskaa­reviin pintoihin.

Kuva 9.7 Esimerkki yhdensuuntaislaminaatin murtumisesta työstössä.

Kudoslujitteillakin saavutetaan hyvät mekaaniset ominaisuudet, joskin kuitujen mutkaisuus alentaa jonkin verran lujuutta ja jäykkyyttä, kun vertailukohtana ovat yhdensuuntaiskerroksista valmistetut laminaatit. Toisaalta kudos muotoutuu paremmin kaksoiskaareviin pintoihin (kuva 9.6). Kudoslaminaatti kestää myös paremmin iskukuormia ja työstöä. Toisinaan tätä hyödynnetään käyttämällä laminaatin sisäkerroksissa yhdensuuntaislujitetta ja pintakerroksissa kudoslujitetta.

Lujitematto on hinnaltaan edullinen ja muotoutuvuudeltaan kudostakin parempi. Toisaalta mattolaminaatin lujuusominaisuudet ovat vaatimattomat eikä laminaatin lujuusominaisuuksia voi suunnata. Mattolujitteiden tyypillisiä käyttökohteita ovatkin kevyesti kuormitetut tuotteet, joissa keveydelle ei aseteta erityisiä vaatimuksia. Rakenteellisesti vaativammissa kohteissa mattoja käytetään yhdessä paksujen roving-kudosten tai yhdensuuntaistuotteiden kanssa. Matto suunnattujen kerrosten välissä parantaa kerrostenvälistä leikkauslujuutta, minkä lisäksi mattokerroksilla saadaan taloudellisesti kasvatettua rakennepaksuutta ja samalla laminaatin taivutusjäykkyyttä.

Valmistuskustannusten kannalta laminaatti on edullisinta valmistaa paksuimmista mahdollisista, halutut ominaisuudet antavista matoista, kudoksista ja yhdensuuntaistuotteista. Pintakerroksen lujitteeksi on kuitenkin syytä valita ohut kudos tai matto paremman pinnanlaadun saavuttamiseksi.

Pintakerros voi myös materiaaleiltaan erota varsinaisesta laminaatista. Esimerkiksi prosessiteollisuuden putkissa ja säiliöissä kantava rakenne suojataan usein kestomuovipinnoitteella tai kemiallisesti kestävästä matriisimuovista ja C-lasikuitumatosta muodostetulla pintakerroksella. Hiilikuitulujitettujen laminaattien pintakerroksessa lujitteena voi olla aramidi- tai lasikuitukudos, jolla parannetaan laminaatin iskunkestävyyttä. Mikäli laminaatin on oltava sähköä johtava, pintakerrokseen lisätään muodossa tai toisessa metallia. Saatavilla on metallilankoja sisältäviä lujitekudoksia sekä kudoksia, jotka on valmistettu metallipinnoitetuista lujitekuiduista. Sähköä johtavana uloimpana kerroksena voidaan myös käyttää ohutta metalliverkkoa, jota on saatavilla liimakalvoon upotettuna.

9.4.3   Matriisimuovi

Valintaperusteet

Matriisimuovin tärkeimpiä valintaperusteita ovat hinnan ohella käyttöominaisuudet, matriisilla saavutettavat lopputuotteen mekaaniset ominaisuudet, lämmönkestävyys, palo-ominaisuudet ja kemiallinen kestävyys. Ominaisuuksien painotus on sovelluskohtainen.

Kertamuovien käyttöominaisuuksista tärkeimpiä ovat viskositeetti, geeliaika, eksotermin huippulämpötila, käyttöturvallisuus ja ympäristöystävällisyys. Alhainen viskositeetti on erityisen tärkeää, kun tuote valmistetaan injektoimalla. Geeliajan tulee olla riittävän pitkä tuotteen valmistukseen. Alhainen eksotermin huippulämpötila on erityisen tärkeä ominaisuus paksuja laminaatteja valmistettaessa.

Lopputuotteen mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttaa matriisimuovin mekaanisten ominaisuuksien ohella oleellisesti muovin tarttuvuus lujitteisiin. Kovettumiskutistuma vaikuttaa saavutettavissa olevaan mittatarkkuuteen ja jossain määrin mekaanisiin ominaisuuksiin.

Matriisimuovin lämmönkestävyyden tulee luonnollisesti olla riittävä, jotta tuotteelle asetetut lämmönkestovaatimukset saavutetaan. Turhan korkeita lämpötiloja kestävää muovia ei toisaalta kannata valita, koska muovit ovat pääsääntöisesti sitä hauraampia mitä korkeampia lämpötiloja ne kestävät.

Rakenteelle asetetut palovaatimukset pystytään usein täyttämään sopivalla matriisimuovin valinnalla. Mikäli tämä ei onnistu, on selvitettävä, voidaanko muuten potentiaalisten matriisimuovien palo-ominaisuudet saada vaatimuksia vastaaviksi lisä- ja/tai täyteaineilla.

Matriisimuovien kemiallinen kestävyys on useimmiten riittävä normaaleihin sovelluksiin. Monissa prosessiteollisuuden tuotteissa kemiallinen kestävyys on luonnollisesti yksi tärkeimpiä matriisimuovin valintaperusteita.

Valinta

Mikäli valmistettavalle tuotteelle ei aseteta erityisvaatimuksia, päädytään kertamuovityyppisen matriisin valinnassa yleensä polyesteriin. Näistä orto- ja isoftaalipolyesterit ovat hinnaltaan edullisia ja niiden käyttöominaisuuksia voidaan säädellä laajoissa rajoissa. Mikäli niiden kemiallinen kestävyys ja/tai lämmönkestävyys on riittämätön, ovat seuraavia vaihtoehtoja Bisfenol-A polyesterit ja vinyyliesterit. Erikoissovellutuksissa käytetään lisäksi hethappopohjaisia polyestereitä.

Parhaat mekaaniset ominaisuudet saavutetaan epokseilla. Mikäli rakenne ei joudu korkeisiin lämpötiloihin, suositaan seosaineilla sitkistettyjä epokseja. Tarvittaessa käytetään modifioimattomia, hauraampia epokseja, jotka yltävät aina 200 °C:n käyttölämpötiloihin asti. Mikäli epoksien lämmönkestävyys ei riitä, kertamuovityyppisiksi matriisivaihtoehdoiksi jäävät bismaleimidit (BMI) ja muut kertamuovityyppiset polyimidit.

Fenolihartsit ovat edullisia, mutta vaikeita käyttää. Lujitettujen fenolilaminaattien mekaaniset ominaisuudet ovat myös melko alhaiset. Fenoleja käytetäänkin matriisiaineena rakenteellisissa sovelluksissa lähinnä, kun muut matriisivaihtoehdot eivät täytä sovellukselle asetettuja palovaatimuksia.

9.4.4   Täyteaineet

Täyteaineilla pyritään useimmiten alentamaan raaka-ainekustannuksia ja/tai keventämään lopputuotetta. Toisinaan täyteaineilla säädetään myös hartsin viskositeetti valmistusprosessiin sopivaksi. Muita mahdollisia syitä täyteaineen käytölle ovat tuotteelle asetettujen palovaatimusten täyttäminen sekä tuotteen sähkön- ja/tai lämmönjohtavuuden parantaminen. Rakenteellisesti vaativissa kohteissa täyteaineiden käyttöä pyritään välttämään, koska ne yleensä heikentävät kuitulujitetun laminaatin mekaanisia ominaisuuksia.

9.4.5   Kerroslevyn ydinaine

Ydinaineen valinnassa merkittäviä valintakriteerejä ovat hinnan ohella ominaisjäykkyydet ja –lujuudet, työstettävyys, lämmönkesto ja muotoutuvuus. Kerroslevyn toimintaperiaatteen mukaisesti oleellisia ydinaineen mekaanisia ominaisuuksia ovat puristusjäykkyys ja –lujuus levytasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa sekä leikkausjäykkyydet ja –lujuudet levytasoa vastaan kohtisuorissa tasoissa.

Mekaanisilta ominaisuuksiltaan parhaita ydinaineita ovat alumiiniset ja kuitulujitetut kennot. Niiden muotoutuvuus on myös hyvä, kun kennomuoto valitaan oikein (ks. luku 3).  Kennot ovat kuitenkin suhteellisen kalliita, minkä lisäksi ne ovat vaikeita työstää. Kerroslevyn valmistus vaatii huolellisuutta, koska liimasauma muodostetaan pintalaminaatin ja siihen nähden pystysuorassa olevan kennon seinämän välille. Mikäli kerroslevyä ei saada tiiviiksi, kennoihin voi myös kertyä vettä kun rakennetta käytetään kosteissa olosuhteissa.

Solumuovit ovat kennoihin verrattuna halvempia sekä helpompia työstää ja liimata. Useimpia solumuoveja voidaan myös muovata lämmön avulla. Käyttöä rajoittavia tekijöitä ovat suhteellisen alhainen lämmönkesto, palavuus ja palossa syntyvät savukaasut. Solumuovin ja rakenteen valmistuksessa käytettävien kemikaalien yhteensopivuus on myös aina varmistettava.

Muita mahdollisia ydinainevaihtoehtoja ovat lujitteen ja solumuovin yhdistelmät, jotka ovat käyttökelpoisia erityisesti, kun rakenne valmistetaan injektoimalla. Ohueen kerroslevyyn taas voi soveltua parhaiten syntaktinen ydinaine, jota käytettäessä kerroslevy voidaan valmistaa yhdellä kovetuksella ilman erillistä liima-ainetta.