Eine Testplattform in Haltbarkeit Studien von Polymeren und faserverstärkten Polymerverbundwerkstoffe unter Concurrent Hygrothermogeber mechanischen Stimuli

Polymeren und faserverstärkten Polymer (FRP) wurden in einer Vielzahl von Ingenieurbauwerken verabschiedet, die von Luft- und Raumfahrzeugen, Marineschiffe, zivile Infrastruktur, (siehe Beispiele Rezensionen Katnam et al. ^{1, 2} Hollaway, Mouritz et al . ^3), Autos und Züge, Rotorblätter, um Prothesen und Biomaterialien für Nahtmaterial und Implantate. Haltbarkeit dieser Materialien "wird durch komplexe Service-Szenarien, die eine Kombination von a enthalten kann) thermo-mechanischer Belastung, zB Frost-Tau-Zyklen in zivile Infrastruktur ^4, Subsonic / Schallflug Profile ^5, tragen in Metallrücken Polyethylen betroffen ⁶⁾ ; b) Abbau aufgrund von ökologischen und chemischen Mitteln, zum Beispiel Meerwasser, Enteisung, Hydraulikflüssigkeit für die Luftfahrt und Marinestrukturen ^7-10, Abbau von Polymethylmethacrylat Dentalkomposite durch Speichel ^11; c) komplexe interactions von Materialien befestigt oder Klebeverbindungen, beispielsweise galvanische Korrosion und Ablösung zwischen verschiedenen Materialien, ob in einem Carbon / Fiber-Patch-Reparatur auf einem Flugzeugaluminiumhaut oder einem Kohlenstoff / PEEK Knochenplatte aus Edelstahl ¹² befestigt.

Es ist leider beschränkt Kenntnis der Auswirkungen der gleichzeitigen In-Service Stimuli auf die langfristige Haltbarkeit dieser Materialien. Die meisten Polymere können als viskoelastische Materialien klassifiziert werden. Mechanischen Belastungen und Umweltbedingungen signifikant beeinflussen die viskoelastischen Reaktion von Polymeren. Daher sollten zuverlässige Modelle für Langzeitverhalten dieser Materialien "in der Lage, zeitabhängige Reaktionen gekoppelt hygrothermischen, mechanische, chemische Reize integrieren. Dies wiederum wird zu verbessern Design Vorhersagen, Sicherheit und zustandsorientierte Instandhaltung / Austausch-Protokolle.

Es gibt eine umfangreiche Literatur Körper auf experimentellen Tests an hygrothermischen WirkungenBeispiels hygrothermischen Diffusionstests: wenn das Ausmaß der Proben ermöglicht es, die Materialproben können in einer Kammer an gewünschte Feuchtigkeit und Temperatur angeordnet werden. Die Proben werden periodisch entnommen, um ihre Masse und / oder Volumenänderungen für eine gegebene Zeitdauer von Wochen bis Jahren ^10,13-17 messen. Die Hygrothermalprüfung kann durch mechanische Prüfung, dh die statische Rest / Ermüdungsfestigkeit / ^{Bruchmechanik-17-19,} die nur gibt Informationen über die Wirkung der hygrothermischen Stimulus auf die mechanischen Reaktionen der Materialien zu beachten. Testdaten können auf Diffusionsmodelle unterschiedlicher Komplexität, von einfachen Fickschen Diffusions für Modelle, die die Abhängigkeit von Konzentration, Druck, Temperatur, reversible physikalische Alterung / Plastifizierung und irreversible chemische Reaktionen umfassen ausgestattet werden. Dieses experimentelle Ausgangs kann ferner in Strukturanalysen eingearbeitet werden.

Nur wenige Autoren haben die Auswirkungen der gleichzeitigen hy angesprochengrothermal und mechanische Reize. Unter den forschen FRP Verbundwerkstoffe, Neumann und Garom ²⁰ eingetaucht betonten und unbetonten Proben in destilliertem Wasser. Stress wurde durch die Positionierung der Proben komprimierte Edelstahlfedern aufgebracht, Abstimmung der Last durch unterschiedliche Federsteifigkeiten und Druckbelastungen. Ein ähnliches Verfahren wird von Wan et al. ²¹ ausgewiesen. Helbling und Karbhari ²² beschäftigte Biegevorrichtung innerhalb einer Klimakammer für unterschiedliche relative Luftfeuchtigkeit Prozent (RH%) und Temperaturniveaus. Die vorkonditionierten Proben wurden zu einer gegebenen Biegebeanspruchungsniveau ausgesetzt, entsprechend einem Anteil der statischen Zugbruchdehnung für diesen Verbundstoff. Kasturiarachchi und Pritchard ²³ bereitete ein Edelstahl 4-Punkt-Biegevorrichtung (eine pro Probe), die auf einem Regal in einem großen Glas Exsikkator positioniert wurde. Der Exsikkator wurde teilweise mit destilliertem Wasser gefüllt, hatten kleine Lecks, die bu verhindernildup von Druck, und wurde in einer Feuchtigkeitskammer bei 95% relativer Feuchtigkeit gelegt. Gellert und Turley ⁷ untersucht marine-grade FRP zusammengesetzte Proben für ihre Haltbarkeit unter kombinierter Kriechbeanspruchung und 100% rF. Ihre Proben wurden in 4-Punkt-Biegung bei einer konstanten Belastung von 20% der Ausfall statischen Biegebelastung belastet ist, und unter in Meerwasser eingetaucht. Die Kriechbiegung wurde periodisch unter Verwendung einer Fühlerlehre zwischen der äußeren Oberfläche des Trägers in der mittleren Querschnitt und einer Glasplatte erworben (es wird angenommen, dass eine solche Messung wurde außerhalb der Kammer durchgeführt wird). Abdel-Magid et al. ²⁴ angeordneten Proben von Glas / Epoxid in einer Invar Umwelt Befestigung gibt, die von der NASA Langley bereitgestellt wurde, als die Proben unter Zug entlang der Faserrichtung belastet, bei 20% des letztendlichen Axialkraft. Ellyin und Rohrbarcher ²⁵ lief hygrothermischen Tests für bis zu 140 Tage, und dann untersucht die Proben in Müdigkeit auf einer hydraulischen Prüfmaschine. Die Probes wurden in einer feuchten Gaze mit einem Rohr und einer Wasserversorgung verbunden gewickelt. Earl et al. ²⁶ positioniert ihre Ladevorrichtung und die Proben in einer großen Klimakammer (5,5 m ^3).

Wie in vielen experimentellen Studien diskutiert, die Umweltbedingungen beeinflusst der Polymere mechanischen Eigenschaften und Reaktionen. Einige begrenzte Versuche zeigen auch, dass das Vorhandensein von mechanischen Spannung / Dehnung beeinflusst die Diffusion in den Polymeren. Daher, um das Verständnis für die Gesamtleistung der Materialien auf Polymerbasis unter mechanische und nicht-mechanische Effekte zu verstärken, besteht eine Notwendigkeit für die gleichzeitige Prüfung.

Es gab mehrere Ziele hinter der Konstruktion der Testplattform in diesem Papier diskutiert. Erstens ist die Plattform ein Teil der Versuchsanordnung in einer mehrjährigen Untersuchung auf der Hygrothermogeber-mechanischen Verhaltens von verschiedenen Arten von FRP Sandwich-Verbundwerkstoffen für Windkraftanlage einnd Marine Engineering-Anwendungen. Die Testdaten werden verwendet, um die Parameter in der viskoelastischen Materialgleichungen für die Polymerverbund kalibrieren. Die konstitutive Modelle basieren auf dem im Laufe der Jahre durch Muliana und Mitarbeiter ^27-30 entwickelt Arbeit. Das zweite Ziel war es, eine preiswerte und benutzerfreundliche Testplattform, beispielsweise eine, die leicht in einem Labor (zB Massenmessungen verlagert werden könnte, zu einer Skala oder an die Quelle des Fluids, beispielsweise eines kommenden haben von einem Hahn, einem Abzug oder einem brennbaren Schrank). Das dritte Ziel war es, eine Testplattform, die gegenüber einer Reihe von Chemikalien, die üblicherweise im Betrieb verwendet werden (insbesondere Hydraulikflüssigkeit, Enteisung, Reinigungsmittel für Anwendungen in der Luftfahrt, ^8-10) ist, wodurch Proben konnten mit solchen Chemikalien eingetaucht werden erstellen und ihre Haltbarkeit konnte beurteilt werden.

Die Kammer (1) mit hoher Dichte konstruiert polyethylene, die eine hohe chemische Beständigkeit. Wie oben erwähnt, wird erwartet, dass zukünftige Arbeiten umfassen Hygrothermogeber mechanische Untersuchung von Kompositen in Hydraulikfluid eingetaucht ist, Enteisen, Reinigungslösungen. Da die thermische Regulierung ist ein wesentlicher Aspekt des Tests wurde expandierter Polystyrolschaum, um die Seiten des Behälters zu passen und an der Stelle mit dem Band und dem Stahlrahmen selbst befestigt ist, um einen Wärmeaustausch mit der Umgebung zu verhindern.

Der Deckel der Kammer (2) aus transparentem, 9,525 mm dicken Polycarbonat hergestellt, so dass die Nutzer, die Proben während der Prüfung, ohne den Test stören beobachten. Der Deckel wird durch die Al-T-Balken, die bearbeitet werden, um unter den Ober Klammern an den Seiten des Behälters gleiten waren gesichert.

Biegen in den Proben durch drei Aluminiumblöcke, die von dem Deckel nach unten hängen und durch Schlitze in dem Deckel befestigt erlassen. Die drei Blöcke sind bis zu vier specimens auf einmal geprüft werden, während die Deckelschlitze erlauben je nach der Länge der Proben der Blockabstand angepasst werden. Jeder Block ist an dem Kontaktrand zu einem Durchmesser von 12,7 mm abgerundet, unter Einhaltung der Norm ASTM D790-10. Die Proben werden unter zwei von den drei Blöcken angeordnet sind, mit einer nach oben gerichteten Kraft in der Mitte aufgebracht, um zu induzieren Biege (Abbildungen 1-2).

Die Apparatur wurde mit maximaler Vielseitigkeit und einfache Bedienbarkeit im Vordergrund. Lenkrollen mit 41,275 mm Durchmesser werden unterhalb der Kammer für Mobilitätszwecke befestigt. Über sie wird der Tank durch einen Stahlrahmen mit einem Drahtgitterboden und Querträger für den Träger aufgebracht. Winkel stock Abstandshalter für die Außentank Ecken wurden hergestellt, um die Isolierung nicht durch die Kopfgewicht und Wegaufnehmer zerquetscht zu halten (string Topfvorrichtung, die später beschrieben). Um die Spitze wurde Winkel stock wieder für die Gestaltung verwendet. Riemenscheibe und String Potentiometer Systeme measuWieder Mid-Span-Ablenkein auf vier Stahl, Rechteckrohrbögen (Abbildung 3) montiert. Die Mitte zwei Bögen aus diesen vier tragen die Zeichenfolge Potentiometer und sind einstellbar, um für die Proben Vielseitigkeit Rechnung zu tragen. Die String-Potentiometer wurden mit einer Drehfeder ausgebildet und Potentiometer mit Drei-Punkte-elektronischen Ausgänge (wie in versenkbare Schlüssel Lanyards finden). Die Riemenscheiben sind so ausgerichtet und für die Verwendung mit einem Stahlseil aus einer starren Verbindung von der Probe zu einer Kleiderstange über der Seite der Kammer für einstellbares Gewicht Anwendung ausgeführt montiert.

Die Last auf der Probe mit einer Reihe von Kabeln, Rollen Bindungen und Schrauben eingesetzt. Zuerst wird die Probe in die U-Bolzen angeordnet, so dass die 10 mm Querstange in Kontakt steht in der Mitte der Spannweite. Ein 9,525 mm Durchmesser Stahlstange mit Ringschrauben an jedem Ende wird dann auf die U-Bolzen verbunden. Diese Stahlverbindung gelangt durch den Deckel der Kammer. Ein Stahlseil und Kevlar tHread werden der Augenschraube gegenüber dem U-Bolzen festgelegt ist. Dies ermöglicht es dem Kevlar Faden von der Saite Potentiometer, um Daten von einem starren Punkt gelesen. Das Stahlkabel setzt sich nach oben und läuft über zwei Rollen, die die Last an der Peripherie des Behälters aufgebracht werden kann. Das Kabel ist dann zu einem 9,525 mm Durchmesser Stahlstange, die als Schlitzgewicht Aufhänger dient angebracht. Dieser Bügel bietet einen Ort, wo die Schlitzgewichte können, um die gewünschten Last gelten eingestellt werden.

1. Laden der Proben

1. Heben Sie den Deckel des Tanks und ruhen sie auf die Seitenstützen (Bild 4).
2. Platzieren der Probe in dem U-Bolzen, und sicherzustellen, dass die Querstange einen Kontakt in der Mitte der Probe.
3. Ruhen die Enden der Probe auf dem Aluminiumträger vom Deckel hängt. Die Enden der Proben sollte 5-10 mm Überhang.
4. Die Schritte 1,2-1,4 für alle Proben, die getestet werden soll.
5. Entfernen Sie den Deckel unterstützt, unteren Deckel, und stellen Sie sicher, dass der Deckel an der Lippe des Behälters sitzt.
6. Tragen Sie die gewünschte Kraft durch zusätzliches Gewicht auf die Stahlstange neben der äußeren Riemenscheibe.

2. Mess Hubraum

1. Stellen Sie sicher, dass die Zeichenfolge Potentiometer Linie straff gespannt.
2. Mit einem digitalen Multimeter den Widerstand über den äußeren Pins der Potentiometer (Bild 3), mit schwarzen Pin 1 und rot auf Pin 3,und notieren Sie den Messwert.
3. Wandeln die Widerstandsmessung in einen Verschiebungslese durch Berechnen der Kalibrierungsfaktor (in diesem Fall entspricht 1 kW zu einem 64,895 mm Verdrängung).
4. Wiederholen Sie die Schritte 2,1-2,3 für jede Probe.

3. Wiegen der Proben

1. Vor Beginn der Wägung, notieren Sie die Verschiebungsdaten und bereiten einen Zwischenhaltekammer mit der Prüfflüssigkeit bei RT gefüllt, nach ASTM D5229 ³¹ oder die entsprechende Prüfnorm.
2. Entfernen Sie die Schlitzgewichte von den Enden der Stahlseile.
3. Heben Sie den Deckel des Tanks und ruhen sie auf die Seitenstützen.
4. Entfernen Sie die Probe und legen Sie sie in die vorbereitete Zwischenhaltekammer. Wiederholen Sie diesen Schritt für alle Proben.
5. Entfernen Sie die Proben und trocknen Sie sie einzeln mit einem Mikrofasertuch, um überschüssige Flüssigkeit zu entfernen.
6. Das Objekt auf einer Hochpräzisionswaage und notieren Sie die Daten reading.
7. Wiederholen Sie die Schritte 3,5-3,6 für alle Proben und folgen Sie dann Protokoll Schritt 1.

Die Prüfvorrichtung wurde erfolgreich gehalten Proben in einem Fluid unter Dreipunkt-Biege getaucht. Mit hinreichender Präzision können Proben geladen und mit genauen Positionsanzeigen von den Potentiometern für Mittelpunktbiegung Veränderungen untersucht werden. Die Änderung des elektrischen Widerstandes kann auf 4 signifikanten Stellen aufgezeichnet werden, was zu einer Ortsauflösung in der Grßenordnung von 0,1 um.

Hygrothermogeber mechanischen Tests wurden bei RT für zwei Gruppen von vier Proben von geschlossenzelligen Polyurethan-Schaumstoff durchgeführt wird, mit nominellen Abmessungen von 215 mm Länge x 24 mm Breite x 18 mm Dicke. Eine Gruppe wurde in der Kammer unter trockenen Bedingungen als beabsichtigt) in Luft getestet, im Inneren des Behälters, und b) bei einer relativen Umgebungsfeuchte von ca. 50% RH (Die Prüfung erfolgte am Ende Juni in einem Labor in heißem gelegen und trockenen Norden Kaliforniens Central Valley, in den USA). Diese erste Gruppe von Proben wird hier als "trockene Proben 'angedeutet. Die zweite Gruppe vonProben wurde im Tank getestet, während vollständig in destilliertem Wasser (100% rF, die hier als "nasse Proben" angegeben) eingetaucht. Die Proben wurden mit hängenden Gewichte etwa gleich 50% ihrer Bruchlast bei statischer trockenen Bedingungen, was zu (1,780 ± 0,116) kg belastet. Die Anwendung der einzelnen Hängegewicht nahm einige Sekunden, um quasi-statischen Belastungsbedingungen zu erzielen. Es wurde erwartet, dass der Schaum würde eine nichtlineare viskoelastische Verhalten haben, aber es war nicht bekannt, wie die a priori gleichzeitige Impulse würde der Schaum Haltbarkeit in bezug auf die Trockenpräparate verringern.

Widerstandsmessungen an dem Digitalmultimeter wurden für jede Probe bei etwa 15 Minuten-Intervallen für die ersten 6 Stunden des Tests genommen. Die Messungen wurden wiederum nach weiteren 18 h entnommen. Daraus wurde die Änderung in der Mitte der Spannweite Auslenkung verfolgt. Basierend auf den gesammelten Daten, die Verschiebung nach 24 h für die trockene Proben betrug (2,141 ± 0,371) mm,während der Verschiebung für die nassen Proben signifikant höher, und gleich (14,41 ± 3,62) mm (Figur 5, Tabelle 1).

Nach jedem Testlauf wurden die Proben dann für Restfestigkeit, indem Sie sie bis zum Versagen getestet. Die nassen Proben wurden gefunden, um eine Restbruchlast gleich (2.970 ± 0.246) kg, verglichen mit dem Restbruchlast (3.623 ± 0,0967) kg für die trockenen Proben (6, Tabelle 2). Die Auflösung für die Restbruchlast Messungen betrug ± 0,194 kg.

Abbildung 1. Übersicht der wesentlichen Komponenten der Testvorrichtung. A. Polyethylen hoher Dichte Tank. B. aus expandiertem Polystyrol-Schaum-Isolierung. C. Schlitz Polycarbonat Deckel. D. Aluminium-T-Bar und Überhangwinkel. E. Drei-Punkt-Biege supports. F. Bodenrahmen. G. Winkelabstandshalter. H. Top Rahmen. I. String Potentiometer Baugruppen. J. Niederladeanordnung. K. Schlitzgewichte und Aufhänger. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

Abbildung 2. Detailansicht Deckel. A. Polyethylenbehälter mit hoher Dichte. C. Schlitz-Deckel aus Polycarbonat. D. Aluminium-T-Träger und Überhangwinkel. E. Drei-Punkt-Biegeträgern. J. Niederladeanordnung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

Abbildung 3. String Potentiometer Montage der Testvorrichtung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

Abbildung 4. Klappenhalter der Testvorrichtung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

Abbildung 5. Mid-Span Verschiebungsvariation mit der Zeit, für trockene und nasse Proben. Vorwändee Klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 6. Box-Plots von Restbelastungen zum Scheitern, für trockene und nasse Proben, die die größere Verwundbarkeit der nassen Proben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

Abbildung 7. Bilder von Schaumproben nach der Restbiegefestigkeitsprüfungen: (A) und (B) Trockenproben, (C) und (D) Nassproben. Die Nennprobenbreite ist24 mm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

Tabelle 1 Hubraum gegenüber der Zeit der Schaumproben bei Raum relative Luftfeuchtigkeit (trockene Proben).

Tabelle 2. Verschiebung gegenüber der Zeit der Schaumproben bei 100% rF (Nassproben).

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