Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta

Luennot / syksy 2013

TkT Harri Eskelinen LUENTO 7 Komposiitit 2013

Osaamistavoitteet…

• Tämän luennon jälkeen opiskelija osaa määritellä: – erilaisten komposiittirakenteiden materiaaliominaisuuksiin keskeisimmin vaikuttavat tekijät ja – erilaisissa komposiiteissa yleisimmin käytettävät aineosat.

Luennon jäsentely

• 1 Johdanto • 2 Komposiittien rakenne • 3 Näkökohtia komposiittien lujuustarkasteluista – Kuitulujitetut komposiitit – Laminaattikomposiitit – Partikkelilujitetut komposiitit – Sandwich -rakenteet – Solurakenteet • 4 Lyhyesti valmistustekniikoista

1 Johdanto

• Sana komposiitti tulee englannin kielen sanasta ”composite”, jonka suomennos on "yhdistetty". Se kuvaa komposiitteja hyvin, sillä komposiitilla tarkoitetaan kahden tai useamman toisiinsa liukenemattoman materiaalin yhdistelmää.

• Valmistettaessa komposiitteja on tavoitteena maksimoida kahden tai useamman eri materiaalin hyvät ominaisuudet ja minimoida huonot ominaisuudet niin, että tulos on enemmän kuin näiden yksittäisten osiensa ominaisuuksien summa, eli ”1 + 1 > 2”.

Johdanto…

• Luonnon komposiiteiksi voidaan kutsua puuta, luuta ja lihaksia sekä muita kudoksia. • Yleensä komposiiteista puhuttaessa tarkoitetaan ihmisen valmistamia komposiitteja, ja erityisesti kuitulujitteisia materiaaleja, kuten esim. lasi- ja hiilikuituja.

Johdanto…

• Komposiitti liittää useita materiaaleja, kuten metallia, puuta, kiveä, keramiikkaa, hiili ja lasikuitua sekä muovihartseja yhdeksi toimivaksi rakenteeksi. • Komposiitit mahdollistavat keveyden, lujuuden ja turvallisuuden samassa rakenteessa. • Lisäksi komposiitteja voidaan muotoilla paremmin kuin ”perinteisiä” materiaaleja.

Johdanto…

• Kuitulujitetut komposiitit, laminaattikomposiitit ja sandwich –rakenteiset komposiitit ovat materiaaliominaisuuksiltaan eri suunnissa erilaiset, eli ne ovat anisotrooppisia.

• Partikkelilujitetut komposiitit ovat yleensä isotrooppisia, eli materiaaliominaisuudet eivät riipu siitä mistä suunnasta komposiittia tarkastellaan. Niissä on usein pieni partikkelikoko ja partikkelit ovat tasaisesti jakautuneita.

Johdanto…

• Komposiittien käyttöä puoltavia tekijöitä: • Saman vahvuinen komposiitti on jopa 80% kevyempi kuin teräs ja 60% kevyempi kuin alumiini • Hyvä korroosionkestävyys • Tarpeen mukaan voidaan valmistaa eristäviksi tai johtaviksi • Muunneltavat lämpölaajenemisominaisuudet • Erinomainen muokattavuus ja muovailtavuus • Hyvä kemiallinen kestävyys • Mahdollisuus valmistaa suuria rakenteita yhtenä kokonaisuutena

Johdanto • Komposiittien käyttöä rajoittavia tekijöitä: • ”Liian hyvä” kestävyys; kierrätys välttämätöntä • Raaka-aineiden ja valmistuksen korkea hinta • Kiinnittäminen muihin materiaaleihin saattaa olla hankalaa • Rakenteiden mitoitus ja analysointi voi olla hankalaa

2 Komposiittien rakenne

• Komposiittien rakenne muodostuu yleensä niin, että toinen komposiitin materiaaleista muodostaa matriisin, johon muut materiaalit sitoutuvat ja sijoittuvat. • Matriisin tarkoituksena on pitää kuidut tai muut komponentit paikallaan. • Usein muut materiaalit ovat matriisiin sijoitettuja lujitteita. Näiden lujitteiden muodon mukaan komposiitit jaetaan – partikkelilujitettuihin, – kuitulujitettuihin ja – laminaattikomposiiteihin. • Lisäksi komposiitteihin lasketaan myös: – Kerros- eli sandwich-rakenteet – Solurakenteet

Rakenne

• Vaahtomuoveja, jotka ovat solurakenteisia, ei aina lasketa komposiiteiksi, koska yhdistelmänä muovi ja ilma on teennäinen. • Komposiitit voidaan luokitella myös niissä olevien materiaalien perusteella. Esimerkiksi lujitemuovit ovat siten muovimatriisikomposiitteja, joissa on keraamisia lujitteita.

Rakenne Eri mahdollisuuksia yhdistellä materiaaliryhmiä komposiittirakenteissa.

2.1 Kuitulujitetut komposiitit

• Kuitulujitettuja komposiitteja on eniten käytetty rakenteellisiin kohteisiin. • Kuitulujitusta käytetään parantamaan matriisimateriaalin lujuutta, jäykkyyttä sekä väsymiskestävyyttä.

• Kuitumateriaalit ovat yleensä hyvin lujia ja jäykkiä, mutta samalla suhteellisen hauraita. Kuitulujitettuija komposiitteja ovat esimerkiksi lasi- ja hiilikuitumateriaalit.

• Matriisi suojaa kuituja, sitoo materiaalin yhteen, antaa lujuuden ja sitkeyden sekä välittää kuormituksen kuitujen kannettavaksi. lämpötiloissa.

Kuidut kantavat kuormituksen

. Lujuus kohoaa matalissa lämpötiloissa ja säilyy myös korkeissa

Kuitulujitetut komposiitit…

• Kuitumateriaaleina komposiiteissa voidaan käyttää erilaisia materiaaleja, esim: – Wolframi – Teräs (teräsvyörenkaat, teräsbetoni) – Lasikuitu – Hiilikuitu – Aramidikuidut (Kevlar) – Muut polymeerikuidut – Boorikuidut, grafiittikuidut – Keraamiset kuidut

Kuitulujitetut komposiitit…

• Kuidut voidaan järjestää monella eri tavalla. Ne voivat olla – jatkuvia, – yhdensuuntaisia, – lyhyitä, – satunnaisesti suuntautuneita tai – ristikkäisinä kerroksina.

• Perinteiset kuitulujitetut komposiittityypit ovat halkaisijaltaan pyöreitä, lujia kuituja heikommassa matriisissa. • Kuidut voivat olla myös sisältä onttoja ja poikkileikkaukseltaan muita kuin pyöreitä.

Kuitulujitetut komposiitit…

Lasikuitu A-lasi AR-lasi C-lasi E-lasi S-lasi Ominaispiirre Tavallinen sooda kalkkilasi Emäksiä kestävä (betonin lujittamiseen) Kemiallista korroosiota kestävä Sähköteknisiin sovelluksiin Korkea lujuus ja kimmomoduli SiO 2 72 61 65 54 65 Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 <1 Kuitulujitetut komposiitit… CaO MgO Na 2 O K 2 O 14 10 B 2 O 3 TiO 2 <1 4 15 25 13 17 5 < 1 3 5 14 3 8 2 <1 <1 5 8 7 Joidenkin komposiiteissa käytettyjen lasien koostumuksia

Yleisimpiä polymeerimatriiseja Kuitulujitetut komposiitit…

Kuitulujitetut komposiitit…

• • • • Esimerkkejä kuitulujitettuista komposiittimateriaaleista:

Kuitu / polymeerimatriisi

– Kevlar / epoksi – C (grafiitti) / polyeetterieetteriketoni (PEEK) – C (grafiitti) / polyfenyleenisulfidi (PPS)

Kuitu / metallimatriisi

– SiC / Al – SiC / Ti

Kuitu / keraamimatriisi

– C / SiC – SiC / Si 3 N 4

High Tech esimerkkejä

• • • •

CASE: F1 Front Nose

- Aerodynamic application for F1 wind tunnel, positioned on the front of an F1 car and supporting the front wing (and so called “Nose” of an F1 car). The required base properties are: – dimensional accuracy and detail definition – the best compromise between stiffness and resistance to vibration. Class of material – Polyamide (PA) and Carbon based Composite Material Manufacturing Technology – Selective Laser Sintering

•

CASE: A construction material for Formula 1 cars, “The monocoque”

– could be made of epoxy resin reinforced with carbon fibre – Manufacturing: laminated together – Requiremenst: great rigidity and strength, but very lightweight • Notice on the table that carbon fibres are 3 times stronger and more than 4 times leighter than steels.

Tensile strength Density

Carbon fibre Steel 3.50

1.30

1.75

7.90

•

CASE: The carbon brake discs used in Formula 1

• Requirements: – May not be thicker than 28 millimetres and their diameter may not exceed 278 millimetres. – When braking, the discs heat up to as much as 600…1000 degrees Celsius within one second – Full braking will bring a Formula 1 car from 200 to 0 km/h within 55 metres, all within 1.9 seconds. Deceleration forces achieve up to 5 G • Material: carbon-carbon composite reinforcement in a matrix of graphite iron because of their (Carbon fibre-reinforced Carbon (carbon-carbon, C/C) is a composite material consisting of carbon fiber • Properties: Composite brake discs are used instead of steel or cast – superior frictional, thermal, and anti-warping properties, – as well as significant weight savings.

• Kevlarin kemiallinen rakenne

Kuitulujitetut komposiitit…

Kuitulujitetut komposiitit…

• KEVLARia valmistetaan kahdesta monomeerista (1,4-fenyylidiamiini ja eräs kloridiyhdiste). Tuloksena on polymeerinen aromaattinen amidi, joka koostuu muunnetuista bentseenirenkaista ja amidiryhmistä. Näiden syntyessä polymeerisäikeet suuntautuvat ensin umpimähkäisesti eri suuntiin. KEVLARin valmistuksen yhteydessä nämä säikeet ensin purkautuvat ja kiertyvät sitten uudelleen muodostaen polymeeriketjuista

suuntautuneita kuituja

.

• CASE: To avoid sharp carbon fibre splinters on the track after accidents, all front wings, barge boards and small aerodynamic body parts must be given an additional

outer coating of Kevlar®

(or a similar type of material).

• CASE: Typical low cost body armor systems utilize Aramid fibers while Kevlar is used in cost-effective high performance systems.

Kuitulujitetut komposiitit…

• Kuitulujituksessa käytetään hyväksi kuitujen suunnattuja lujuusominaisuuksia ja jäykkyyttä:

Kun yhdensuuntaisilla kuiduilla lujitettua komposiittia vedetään päistään kuvan mukaisesti, muodostuu poikkileikkauksen joka kohtaan sama myötymä. Tällöin jännitykset ovat suuremmat jäykissä ja lujissa kuiduissa kuin heikommassa matriisissa.

Kuitulujitetut komposiitit…

• Kuitulujituksessa käytetään hyväksi kuitujen suunnattuja lujuusominaisuuksia ja jäykkyyttä:

Kuormitettaessa samaa komposiittia kuituja vastaan kohtisuorassa suunnassa on tuloksena aivan eri jäykkyysarvot. Nyt komposiitin poikkileikkauksen joka kohdassa on vakiojännitys ja siten matriisi venyy kuituja enemmän. Komposiitilla on siis alhaisempi jäykkyys kuituja vastaan kohtisuorassa suunnassa.

Kuitulujitetut komposiitit…

• Näissä tapauksissa anisotrooppisen kuitulujitetun komposiitin kimmomoduuli on: •

Missä

–

V f

–

E f

–

E m

–

E c on kuitujen tilavuusosuus, on kuitujen kimmomoduuli ja on matriisin kimmomoduuli on komposiitin kimmomoduuli

Kuitulujitetut komposiitit…

•

Kuvassa on esitetty komposiitti, jossa irrallisten kuitujen sijasta on käytetty kudottua mattoa, jossa kuidut kulkevat kahdessa toisiaan vastaan kohtisuorassa suunnassa. Edellisen päätelmän mukaan voidaan ko. rakenteelle osoittaa matalan ja korkean jäykkyyden suunnat.

Kuitulujitetut komposiitit…

•

Kuvassa on esitetty yleisesti erään yhdensuuntaisilla lasikuiduilla lujitetun materiaalin lujuuden riippuvuus kuitujen ja kuormituksen välisestä kulmasta.

Kuitulujitetut komposiitit…

• Esimerkkitapauksessa kuitujen suunnassa lujuus on yli nelinkertainen kuituja vastaan kohtisuoraan suuntaan verrattuna. • Kuitujen suunnassa kuormat siirtyvät kuitujen kannettavaksi, kohtisuorassa suunnassa on kysymys matriisin lujuudesta,

oikeammin siitä kuinka hyvin matriisi ja kuidut ovat kiinni toisissaan

. • Lujuus laskee erittäin jyrkästi kuormituksen suunnan erotessa kuitujen suunnasta. • Alussa on muutaman asteen alue, jossa lujuus ei mainittavasti laske.

Kuitulujitetut komposiitit…

• “Sekoitussääntö”: • Komposiitin myötymä on joka kohdassa komponenttien myötymien (tilavuus osuuksilla) painotettu keskiarvo. Vastaavasti ovat määrättävissä myös kimmomoduuli (vrt. edellä esitetyn kimmomoduulin lausekkeet ).

Kuitulujitetut komposiitit… Sekoitussääntö

Kuitulujitetut komposiitit…

• Rajoituksia sekoitussääntöön… • Komposiittien kaikkien ominaisuuksien mallintaminen ei ole yhtä helppoa kuin kimmomoduulin määrittäminen sekoitussäännöllä.

• Tiheys, lämpölaajenemiskerroin ja kimmomoduuli noudattavat hyvin sekoitussääntöä, mutta lujuuteen vaikuttaa myös komponenttien tarttuvuus toisiinsa eli se kuinka hyvin voima välittyy komponentista toiseen. • Lisäksi lujuus ei välttämättä aina kasva lisättäessä kuituja. Pienillä kuitupitoisuuksilla komposiitin lujuus on jopa pienempi kuin matriisin lujuus. – Tarkastellaan tätä ominaisuutta seuraavassa kuitulujitetun komposiitin lujuuskäyttäytymistä yleisen jännitys-venymäkäyrän avulla…

1. Aluksi komposiitti venyy elastisesti ja tällä alueella kimmomoduulilla on ”vakioarvo” E.

Rajoituksia sekoitussääntöön

2. Seuraavana on vuorossa matriisin myötäminen. Kimmomoduuli ”laskee”.

Rajoituksia sekoitussääntöön

3. Tässä vaiheessa lisäkuorman kantavat yhä elastisesti venyvät kuidut.

Rajoituksia sekoitussääntöön

4. Kuitujen murtuessa komposiitin lujuus laskee matriisin myötölujuuteen.

Rajoituksia sekoitussääntöön

5. Matriisin murtuessa komposiitti luonnollisesti murtuu lopullisesti.

Rajoituksia sekoitussääntöön

Kuitulujitetut komposiitit…

• Rajoituksia sekoitussääntöön… • Edellä esitetyn yleisen kuitulujitetun komposiitin jännitys venymäkäyrän perusteella komposiitin lujuus olisi siis karkeasti määritettävissä sekoitussäännön ja matriisin murtolujuuden avulla.

• Mutta mikäli kuituja onkin alle kriittisen tilavuus osuuden (V alan pienentäminen! crit ), onkin tuloksena tilanne, jossa matriisi myötää niin paljon, että vain harvat kuidut katkeavat ennen kuin matriisin lujuus on saavutettu. Tällöin kuitujen rooliksi jääkin tehokkaan (kuormaa kantavan) poikkipinta-

Rajoituksia sekoitussääntöön

Kuitulujitetut komposiitit…

• Rajoituksia sekoitussääntöön… • Valmistusteknisesti jatkuvakuituisen komposiitin valmistaminen on monissa tapauksissa vaikeaa. Automaattisen valmistuksen kannalta olisi helpompaa, jos lujittavat kuidut olisivat lyhyitä (katkokuitukomposiitit). • Kuidun pituus on optimoitavissa halutun lujitusvaikutuksen mukaan.

• Katkokuitulujitetun komposiitin lujuus on pienempi kuin jatkuvakuitulujitetun komposiitin.

Kuitulujitetut komposiitit…

•

Erään lasikuitu-epoksi-katkokuitukomposiitin lujuus kuitujen pituuden funktiona.

Kuitulujitetut komposiitit…

•

Puristuksessa komposiitti kestää vähemmän kuin vedossa. Puristuskuormituksessa kuidut ”nurjahtavat”.

Kuitulujitetut komposiitit…

• Kuitulujitetun komposiitin ”sitkeys” • Yleensä kuitulujitteisten komposiittien sitkeydellä ei tarkoiteta suoraa murtositkeyttä tai kykyä plastiseen muodonmuutokseen, vaan

mahdollisen särön kykyä varastoida (rakennetta vaurioittavaa) energiaa

. • Varsinkin lujitemuovien sitkeys on erinomainen (Kun lasikuidun ja hiilikuidun sitkeys on vain noin 0.1 kJ/m 2 sekä epoksin ja polyesterin vain noin 5 kJ/m 2 , on näiden komposiittien sitkeys jopa 50 kJ/m 2 ). • Keskeisin vaikuttava tekijä sitkeyteen on

kuitujen irtoaminen matriisista komposiitin murtuessa

. Kuitujen irtoaminen kuluttaa energiaa, joka näkyy sitkeytenä.

Kuitulujitetut komposiitit… Kuidun irtoaminen matriisista

Kuitulujitetut komposiitit… Kolmiulotteinen lujittaminen ominaisuuksien parantamiseksi

Kuitulujitetut komposiitit… Kuitujen halkaisijat vaihtelevat millimetrin tuhannesosasta millimetrin kymmenesosaan

.

Kuitulujitetut komposiitit… Eri materiaalinen ominaisjäykkyys (E/ρ) ja ominaislujuus (s/ρ).

Vertaa ominaisuuskarttojen käyttö materiaalinvalintatehtävän ratkaisussa!

2.2 Laminaattikomposiitit

• Laminaattikomposiiteissa asetetaan useita kerroksia päällekkäin, ja kerrokset voivat olla lujitettuja yksisuuntaisilla kuiduilla. Esimerkiksi lentokoneen lattiaa varten voidaan rakentaa vuorottelevista alumiinilevyistä ja Kevlarilla yksisuuntaisesti lujitetuista polymeerilevyistä materiaali, jolla on hyvä jäykkyys pituussuunnassa, mutta myös riittävät lujuusominaisuudet poikkisuunnassa. • Laminaattikomposiitteja ovat esimerkiksi: – Ohutpinnoitteet – Suojapinnoitteet – Varsinaiset laminaatit (esimerkiksi vanerit) – Bimetallimateriaalit

Laminaattikomposiitit… Komposiitti, joka koostuu vuorottelevista materiaalikerroksista. Vasemmalla olevan levyn ominaisuudet ovat levyn tasossa anisotrooppiset ja oikeanpuoleisen isotrooppiset.

Laminaattikomposiitit… Toisaalta voidaan esimerkiksi lentokoneen lattiaa varten rakentaa materiaali, jolla on hyvä jäykkyys pituussuunnassa, mutta myös riittävät lujuusominaisuudet poikkisuunnassa. Tähän päästään esim. käyttämällä vuorottelevia alumiini- ja kevlarilla yksisuuntaisesti lujitettuja polymeerilamelleja.

2.3 Partikkelikomposiitit

• Käyttämällä kovia, lujia ja jäykkiä partikkeleja matriisimateriaalissa, saadaan ominaisuuksia parannettua kaikissa tarkastelusuunnissa.

• Partikkelilujitetut komposiitit jaetaan lujitemateriaalin partikkelikoon mukaan. Komposiitit ovat joko dispersiolujitettuja tai partikkelilujitettuja komposiitteja. • Dispersiolujitetuissa komposiiteissa partikkelikoko on pieni (”dispersion” = hajonta), minkä vuoksi niillä on tehokas lujittamisvaikutus.

Partikkelikomposiitit…

• Partikkelilujitettuja komposiitteja ovat esimerkiksi: • Betoni (sementti + kivi) • Piikarbidilujitteiset alumiiniseokset (10-20 % SiC) • Kovametallit (60-90 % Wolframikarbidi partikkeleja kobolttipohjalla) • Sähköiset kontaktimateriaalit (W-partikkelit hopeamatriisissa) • Täyteainepolymeerit, esimerkiksi sähköä johtavat polymeerit

Partikkelikomposiitit…

• Partikkelilujitetuille komposiiteille kimmomoduulin lauseke voidaan kirjoittaa muotoon: • Teoriassa vakiomyötymätilassa eksponentti n=1 ( partikkeli-komposiitin rakennetta voisi kuvata kumipalloilla teräsmatriisissa) • Teoriassa vakiojännitystilassa eksponentti n=-1 (jota puolestaan voisi verrata rakenteeseen, jossa on teräspalloja kumimatriisissa). • Todelliset eksponentit ovat näiden arvojen välissä kuvaavat ‘todellisia’ partikkelikomposiitteja.

Partikkelikomposiitit…

• Esimerkkejä partikkelikomposiitin käyttökohteesta on maastopyörien rungoissa käytetty alumiini + piikarbidi. – Piikarbidilla voidaan parantaa eräitä alumiinien heikkouksia, kuten alhaista jäykkyyttä (kasvaa 70 GPa:sta noin 80-110 GPa:iin, piikarbidipitoisuuden ollessa 10 40%) ja kulumiskestävyyttä (piikarbidi on kovaa). • Partikkelikomposiitteihin kuuluvat esim kovametallit. – Kovametalleista tutuin on wolframikarbidin ja koboltin yhdistelmä. Koboltin tehtävä (tyypillisessä kovametallissa kobolttia on 6 - 20%) on sitoa sitkeästi wolframikarbidipartikkelit yhteen. Karbidi siis tuo rakenteeseen kovuuden ja jäykkyyden, koboltti tuo sitkeyden ja työstettävyyden (koboltti sitoo partikkelit yhteen järjellisissä paineissa ja lämpötiloissa). Kovametallien käyttökohteita ovat kulumiskestävyyttä tarvitsevat osat. Tällaisia ovat mm. leikkuuterät. – Kovametalli voi koostua muistakin keraamisista partikkeleista (muista yleisin on TiC) ja esimerkiksi teräs- tai nikkelimatriisista. – Se kutsutaanko muita laatuja kovametalleiksi vai esimerkiksi cermeteiksi on kiistelyn alainen kysymys… 

Metal Matrix composites (MMC) Esim. 75% suurlujuuksinen Al-Cu seos (AA-2124) + 25% SiC

2.4 Sandwich-rakenteet

• Pyrittäessä jäykkiin ja kevyisiin rakenteisiin käytetään yleensä kerrosrakenteisia komposiitteja. Sandwich-rakenteissa ohuet pintalevyt liitetään paksumpaan, kevyeen ydinosaan. Tällöin saadaan aikaiseksi ominaislujuudeltaan ja jäykkyydeltään hyviä rakenteita. • Mikään sandwich -rakenteen elementeistä ei (yleensä) ole yksinään luja eikä jäykkä. Vasta sitten kun elementit yhdistetään, on varsinaisilla sandwich-rakenteilla molemmat ominaisuudet. • Sandwich -rakenteita ovat esimerkiksi: – Rakennuselementit (teräs/vuorivilla/teräs tai teräs/polyuretaani/teräs) – Erilaiset kennorakenteet

Sandwich rakenteet…

• •

Sandwich rakenteet…

Pyrittäessä jäykkiin ja kevyisiin rakenteisiin, muodostavat kerrosrakenteet oman ryhmänsä. Tarkasteltaessa taivutuksen alaiseen levyyn syntyviä jännityksiä havaitaan kuvan (alla) mukainen jännitysten jakautuminen. Eli materiaali levyn keskellä ei kanna niin suuria jännityksiä kuin se kykenisi. Mutta keskiosan pois jättäminen saa aikaiseksi kaksi eri levyä, joille toistuu sama tilanne kahtena. On siis keksittävä keino sitoa suurimman jännityksen alaiset osat yhteen pienellä massalla, niin saadaan aikaiseksi ominaislujuudeltaan ja jäykkyydeltään hyviä rakenteita (Vai materiaaleja (?), kerroslevyrakenteen kohdalla voidaan jo kiistellä, onko kyseessä materiaali vai rakenne…).

•

CASE: A construction material for Formula 1 cars, “The monocoque”

– could be also made of epoxy resin reinforced with carbon fibre mats combined with aluminium honeycomb plates

2.5 Solurakenteet

• Kerroslevyrakenteiden tapaan on solurakenteisissa komposiiteissa enemmänkin kyse tavasta jakaa materiaalia kuin varsinaisesta kuitu- tai partikkelikomposiittien tapaisista materiaaliyhdistelmistä. Lisäksi tällaisen ”komposiitin” toinen komponentti on usein ilma. • Solun umpinaisuudella tai avoimuudella on suuri ero vedenimemis ja läpäisyominaisuuksien kannalta, mutta lujuusominaisuuksien kannalta tärkein on solurakenteen tiheys verrattuna soluseinän tiheyteen.

• Esimerkiksi kimmomodulille voidaan kirjoittaa:

Solurakenteet…

• missä E cs on solurakenteisen materiaalin kimmomoduli ja E sm ja ρ sm ovat soluseinämän kimmomoduli ja tiheys. Tiheyksien suhde voi vaahdoissa vaihdella välillä 0,5 – 0,005 (samalla materiaalilla riippuen valmistustekniikasta), jolloin kimmomodulit voivat vaihdella 10000 kertaisesti saman materiaalin eri tiheyksisissä vaahdoissa.

Solurakenteet…

Polymeerivaahdon tyypillinen puristusjännitys – puristumakäyrä

Solurakenteet… Alussa on noin 5% myötymään asti lineaariselastinen alue. Tällä alueella soluseinämät taipuvat elastisesti.

Seuravaksi venymä kasvaa Alussa on noin 5% myötymään asti lineaariselastinen alue. Tällä alueella alueella voi olla soluseinien Solurakenteet…

Viimeisenä vaiheena on tiheyden kasvaminen soluseinämien puristuessa yhteen Alussa on noin 5% myötymään asti lineaariselastinen alue. Tällä alueella soluseinämät taipuvat elastisesti. Solurakenteet…

KERAAMISET KOMPOSIITIT K O M P O S I I T I T ”RAJAPINTA” NANO KOMPOSIITIT ADAPTIIVISET KOMPOSIITIT

3 Näkökohtia komposiittien lujuustarkasteluista

• Kuitulujitetut komposiitit ovat anistorooppisia, mutta partikkelilujitetut muistuttavat monesti isotrooppisia materiaaleja.

• Jos partikkelilujitetuille komposiiteille käytetään valmistuksessa pursotustekniikoita, on mahdollista, että myös niihin syntyy anisotrooppinen rakenne.

• Partikkelilujittaminen heikentää muovattavuutta ja iskusitkeyttä.

• Myös metallimatriisikomponenteille syntyy anisotrooppiset ominaisuudet, jos käytetään kuitujen suuntausta.

• Jännitys-venymäkäyrät ovat monesti epälineaarisia.

• Lämpöpitenemis- ja laajenemiskertoimet eri suunnissa ovat eri suuret, mistä voi aiheutua vaihtelevissa lämpötiloissa suuria materiaalin/ rakenteen sisäisiä jännityksiä. • Monet partikkelilujitetut ja metallimatriisikomposiitit voivat käyttäytyä hauraasti. • Sisäisten jännityshuippujen välttämiseksi komposiittiosien kiinnitystekniikat vaativat erityistä huolellisuutta ja suunnittelua.

4 Valmistustekniikat

• 1. Puristusliittäminen (Solid State Processing) • 2. Nestemäisen matriisin käyttäminen (L iquid state processing) • 3. Jauhemetallurgia (Powder Metallurgy) • 4. Magnetosputterointi (Physical Vapour Processing=PVD) • 5. Pisarasuihkutus (Spray Deposition) • 6. Mattojen / kuitujen kelauslaitteistot