Kuituvahvistetut komposiitit

Yleiskuvaus komposiiteista

Komposiitit rakentuvat kahdesta tai useammasta yhdistetystä materiaalista. Materiaalien yhdistäminen tuottaa hyvin erityisiä materiaaliominaisuuksia, kuten esimerkiksi tiettyyn suuntaan kohdistuvaa jäykkyyttä tai lujuutta, komposiitin painon pysyessä silti matalana. Tämä yhdistelmä mahdollistaa monenlaisia käyttötarkoituksia. 

Komposiittien käyttö on hyvin tavallista monissa uusissa tuotteissa. Esimerkiksi matkustajaliikenteessä olevat Airbus A380 ja A350, sekä Boeing 787 -lentokoneet on rakennettu hyvin suurelta osin hiilikuitukomposiiteista. BMW:n I3- ja I8-automerkkien rungot on valmistettu kokonaan GFRP-materiaaleista. Ne ovat niin kevyitä, että ovat kannettavissa kahden ihmisen voimin. Kilpa-autoissa kuitukomposiitteja on käytetty jo pitkän aikaa. Suurten tuuliturbiinien lavat rakennetaan erilaisista komposiiteista. Yksisuuntaiset kuitukomposiitit auttavat absorboimaan keskipakoisvoimia. Uloimmat pinnat taas koostuvat monisuuntaisista kuitukomposiiteista. Yhdessä ne muodostavat ns. sandwich-rakenteen. Komposiitteja käytetään myös lääketekniikassa esimerkiksi proteeseissa. Rakennusteollisuudessa niitä käytetään monipuolisesti esimerkiksi silloissa ja julkisivurakentamisessa.

Komposiittimateriaalissa kuidut on sidottu komposiitin matriisiksi kutsuttuun osaan. Näin syntyy kuitu-matriisi-järjestelmä. Kuidut voivat kulkea yhteen tai useampaan eri suuntaan, ja kuiduilla voi olla ensisijaisia suuntia.

Laminaatit koostuvat eri määrästä päällekkäisiä kerroksia. Kolmikerroksisia materiaaleja, joissa kaksi ulointa kerrosta ovat keskenään identtisiä, kutsutaan sandwich- eli kerroslaminaateiksi. 

Näitä sandwich-materiaaleja käytetään kevyissä rakenteissa. Kahden uloimman kerroksen väliin jäävä ydinkerros voi olla solumuovinen tai rakenteeltaan kennomainen. Jälkimmäisen kaltaisia kutsutaan hunajakennomateriaaleiksi
Read more Show less

Komposiittien määritelmiä

Eri käyttötarkoituksia varten on erilaisia komposiitteja. Niitä ovat esimerkiksi

  • Lasikuituvahvisteinen muovi (GFRP)
  • Hiilikuituvahvisteinen muovi (CFRP)
  • Aramidikuiduilla vahvistettu muovi (AFRP)
  • Luonnonkuituvahvisteinen muovi (NFRP)

Kuitukomposiitit koostuvat kuiduista, jotka ovat filamentteja tai katkokuituja, kuten esimerkiksi kuitukankaissa, sekä matriisista, mikä vahvistaa sidosten lujuuden.  

Säikeissä ja matriisissa käytettyjen materiaalien lisäksi komposiitin materiaaliominaisuuksiin vaikuttaa oleellisesti kuitujen suunta rakenteessa. Testaustekniikoissa erotetaan yleensä toisistaan yksi- ja monisuuntaiset laminaatit. 

Aineenkoestus toteutetaan yleensä yksittäisinä kuormitusskenaarioina standardinmukaisille näytteille. Koska suunta vaikuttaa merkittävästi materiaalin ominaisuuksiin, kuormitus toteutetaan eri näytteille erisuuntaisesti, esimerkiksi kohtisuoraan tai poikittain kuitujen suuntaan nähden.  

Kansainvälisten standardien (ISO) lisäksi nämä kokeet on määritelty useissa kansallisissa ja alueellisissa standardeissa (ASTM, EN ja DIN), sekä yritysten omissa standardeissa (Airbus AITM, ja Boeing BSS). Tämän seurauksena erilaisia aiheeseen liittyviä standardeja on yli 170, joiden voidaan sanoa määrittävän n. 20 erilaista yleisempää testausmenetelmää.

Komponenttien, rakenneosien ja kokonaisten rakenteiden testauksessa käytetään kuormituksia, jotka vastaavat niiden oikeassa käytössä kohtaamia kuormia. Etusijalla ovat lujuuden, energian absorption, aineen väsymisen ja käyttöiän arvioiminen.

Koska kuidut ovat herkkiä käytetylle suunnalle ja leikkausvoimille, tulee testausvoimat kohdistaa tarkasti haluttuun suuntaan. Aksiaalivirhe määritellään suuntausvirheeksi, ja sen sallituille poikkeamille on asetettu hyvin tiukat rajat. Zwick käyttää suuntausvirheen mittaamiseen erityisiä mittauslaitteita, jotka mukailevat näytteen muotoa ja mittoja. Testauslaitteen testausakselit suunnataan mekaanisella yhdensuuntaisuustyökalulla.

Read more Show less

Komposiittien modulaarinen testausjärjestelmä

Suuret testauslaboratoriot testaavat suuria näytemääriä, minkä vuoksi ne käyttävät useita erilaisia testauslaitteita eri testausmenetelmille. Tämä auttaa minimoimaan koeasetelman muuttamiseen liittyvät kulut ja ajankäytön. Standardinmukaiset testausmenetelmät voidaan jakaa käytetyn voiman mukaan seuraaviin ryhmiin: 

  • Voimat 1 kN saakka: taivutuskokeet, energian vapautumisnopeus, yksittäisten filamenttien vetokokeet
  • Voimat 10 kN saakka: leikkauskokeet, esim. IPS, ILSS, sekä V-lovetut ja filamenttisäikeiden vetokokeet, UD 90° -vetokokeet, vetokokeet paksuussuunnassa.
  • Voimat 100 kN saakka: UD 0° -vetokoe, MD-vetokokeet pienemmille laminaattien paksuuksille, SO-, ASTM- ja EN-standardien mukaiset puristuskokeet, lovetun esineen väsytyskokeet, reiän seinämien lujuuskokeet
  • Yli 100 kN voimat: Airbus-standardien mukaiset veto- ja puristuskokeet vastaaville laminaatin paksuuksille, Compression After Impact (CAI)
Jos testattavien näytteiden määrä ei ole riittävän suuri tai säännöllinen, jotta useamman koestuskoneen hankkimista kannattaa harkita, voidaan vaihtoehtoisesti käyttää yhtä ainutta koestuskonetta siten, että sillä voidaan suorittaa mahdollisimman monia kokeita mahdollisimman pienillä kokoonpanon muutoksilla. Zwick on kehittänyt juuri tähän tarpeeseen modulaarisen koestuskonekonseptin, joka sopii sähkömekaanisille ja servohydraulisille koestuskoneille. Tällä modulaarisella järjestelmällä on kiistattomia etuja: kaikki testaustyökalut, ekstensometrit, ohjelmistot, suojapaneelit ja lämpökammio ovat rakenteeltaan modulaarisia ja helposti yhteensovitettavia. Järjestelmä on myös helppo päivittää tulevaisuuden tarpeisiin, sillä kaikki komponentit on mahdollista päivittää uudempiin.
Read more Show less

Vetokokeet, puristuskokeet ja taivutuskokeet

Zwick tarjoaa erityisvalmisteisia testaustyökaluja eri lämpötiloissa tapahtuvia standardinmukaisia vetokokeita, puristuskokeita ja taivutuskokeita varten.

Leikkauskokeet

Tasomaisten leikkausominaisuuksien määrittämiseen eri suunnissa on olemassa monenlaisia koemenetelmiä.

Muita kokeita komposiiteilla

kuten energian purkautumisnopeuden G määrittäminen komposiittien murtumismekaniikan luonnehtimiseen, tai syklinen kuormittaminen näytteiden, rakenneosien ja komponenttien kestävyyden määrittämiseen.
Top