Keramische Faserverbundwerkstoffe und ihre Biegeeigenschaften

Ceramic-matrix Composite Materials and Their Bending Properties

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Materials Engineering

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Ceramic-matrix Composite Materials and Their Bending Properties

7.11: Electrochemical Impedance Spectroscopy

7.13: Nanocrystalline Alloys and Nano-grain Size Stability

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09:59 min

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January 16, 2018

Overview

Quelle: Sina Shahbazmohamadi und Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti, School of Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT

Knochen sind Verbundwerkstoffe aus keramikmatrix und Polymerfaserverstärkungen. Die Keramik trägt zur Druckfestigkeit bei, und das Polymer sorgt für Zug- und Biegefestigkeit. Durch die Kombination von Keramik- und Polymermaterialien in unterschiedlichen Mengen kann der Körper einzigartige Materialien erstellen, die auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten sind. Als biomedizinische Ingenieure ist die Fähigkeit, Knochen aufgrund von Krankheiten oder traumatischen Verletzungen zu ersetzen und zu replizieren, eine wichtige Facette der medizinischen Wissenschaft.

In diesem Experiment werden wir drei verschiedene Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe mit von Paris (das ist eine Calciumsulfat-Verbindung) erstellen und ihnen erlauben, drei-Punkt-Biegetest zu unterziehen, um festzustellen, welche Zubereitung die stärkste ist. Die drei Verbundwerkstoffe sind wie folgt: eine besteht nur aus von Paris, eine mit gehackten Glasscherben in einer Gipsmatrix gemischt und schließlich eine Gipsmatrix mit einem Glasfasernetz darin eingebettet.

Principles

Wenn ein bestimmtes Material getestet werden muss, ist eine der wichtigsten Methoden zur Prüfung der Festigkeit weniger duktiler Materialien ein Dreipunkt-Biegetest. Der Dreipunkt-Biegetest ist eine Methode, die es einer bestimmten Probe ermöglicht, eine Kombination von Kräften (Kompressiv und Zug) sowie eine Ebene der Scherspannung in der Mitte des Materials zu erleben, die für die meisten Kräfte repräsentativ ist, die menschliche Knochen konsistent sind. ausgesetzt sind. Mit den Ergebnissen dieses Experiments kann ein besseres Verständnis von Verbundwerkstoffen erreicht werden, zusammen mit dem Umfang und den Einschränkungen dieser Biomaterialien.

Im 3-Punkt-Biegetest befindet sich der Boden der Probe in Spannung, die Oberseite in Kompression und in der Mitte der Probe befindet sich eine Scherebene (Abbildung 1).

Abbildung 1: Schematische Darstellung des 3-Punkt-Biegetests.

Lebende Knochen können sich umbauen und umstrukturieren, um diesen Kräften gerecht zu werden. Zum Beispiel gibt es in Rippenknochen eine hohe Konzentration von Mineralphasen auf der Innenseite der Kurve (wo es Druckkräfte gibt) und eine hohe Konzentration von Kollagenfasern an der Außenseite der Kurve (wo es Zugkräfte gibt).

Die Eigenschaften eines Verbundwerkstoffs basieren auf den Eigenschaften seiner Matrix- und Füllmaterialien. Mehrere Formeln wurden entwickelt, um die Gesamtstärke und den Modul eines Komposit als Funktion des Typs und der Menge der Füllstoffe zu berechnen. Die einfachste davon ist die “Regel der Mischungen”, die den maximalen theoretischen Wert der betreffenden Eigenschaft angibt. Die Regel der Mischungen für Die Biegefestigkeit ist unten angegeben:

•_comp = _m_{m m} + ₁V₁ +₂V₂ + … (1)

Wo:

•_comp = maximale theoretische Festigkeit des Verbunds

m = Stärke der Matrix

•_1,₂ … = Stärken der Füllstoffe 1, 2 usw.

V_m, V₁, V₂,.. = Volumenfraktionen der Matrix und Füllstoffe.

Procedure

1. Eine einfache Gipsprobe

Erhalten Sie eine blaue Gummiform vom Instruktor. Jede Form kann 3 bar-förmige Proben machen, die Größe der einzelnen Bar ist etwa 26 mm in der Breite, 43 mm in der Länge, und 10 mm in der Dicke.
Wiegen Sie 40 Gramm trockenes Gipspulver in einen Papierbecher. 20 ml entionisiertes Wasser langsam hinzufügen und die Gülle mit einem Holzstab rühren, bis eine glatte Konsistenz erreicht ist. Fahren Sie sofort mit Schritt 3 fort! Der Putz beginnt in 5 Minuten zu verhärten.
Gießen Sie die resultierende Gülle in eines der Fächer der Form. Füllen Sie die Form vollständig, und glätten Sie es mit dem Holzstab. Werfen Sie den Becher und alle überschüssigen Gips; halten Sie den Stick für die zukünftige Verwendung.

2. Herstellung von zwei zusammengesetzten Proben

Bereiten Sie die Probe mit gehackter Faserverstärkung vor:
a.) Wiegen Sie 4 Gramm gehackte Glasfasern in einen Papierbecher.
b.) Wiegen Sie 40 Gramm Gipspulver in den gleichen Becher.
c.) Langsam 20 ml entionisiertes Wasser hinzufügen und die Gülle mit dem Holzstab rühren, bis die Fasern gründlich eingemischt werden und eine glatte Konsistenz erreicht wird.
d.) Gießen Sie die Gülle in eines der Formfächer. Füllen Sie die Form vollständig, und glätten Sie es mit dem Holzstab.
Bereiten Sie die Probe mit Glasfaserband vor:
a.) Schneiden Sie 2 Streifen Glasfaserband, ca. 5 Zoll lang. Wiegen Sie die Streifen.
b.) Wiegen Sie 40 Gramm trockenes Gipspulver in einen Papierbecher. 20 ml entionisiertes Wasser langsam hinzufügen und die Gülle rühren, bis eine glatte Konsistenz erreicht ist.
c.) Gießen Sie etwa ein Drittel des Putzes in die Form. Legen Sie einen Streifen Glasfaserband auf den Putz und drücken Sie ihn mit dem Holzstab nach unten. Stellen Sie sicher, dass der Putz das Fiberglasband gründlich benetzt.
d.) Gießen Sie etwa die Hälfte des restlichen Putzes auf das Glasfaserband. Legen Sie den zweiten Bandstreifen auf den Putz und drücken Sie ihn mit dem Holzstab nach unten.
e.) Gießen Sie den Rest des Putzes auf den zweiten Streifen, und drücken Sie ihn mit dem Holzstab nach unten. Stellen Sie sicher, dass der Putz das Glasfaserband gründlich benetzt, und drücken Sie alle Luftblasen aus.

3. Durchführung von Experimenten

Messen Sie die durchschnittliche Länge, Dicke und Breite jedes Balkens Measure L (Spannlänge in der Abbildung unten) auf der 3-Punkt-Prüfvorrichtung, verwenden Sie kalibrierte Bremssättel für die Messung.
Verwenden Sie für alle Tests eine Verdrängungsgeschwindigkeit von 5 mm/min. (Das UTM sollte dann mit einer Verdrängungsgeschwindigkeit von 5mm/min auf Null gesetzt und initiiert werden). Führen Sie den Test für den einfachen Putz und die gehackte Faserprobe aus, bis die Probe fehlschlägt. Führen Sie für die Fiberglasbandprobe den Test aus, bis die Durchbiegung 6 mm beträgt.
Verwenden Sie das LabVIEW-Programm auf dem Computer, um die Daten aus jedem Test in einer Textdatei zu sammeln.

4. MATLAB Programm

Erstellen Sie ein MATLAB-Programm, das Folgendes tut:
Lesen Sie eine einzelne Spaltentextdatei und trennen Sie die Messwerte in Kraft und die Umleitungsdaten. Konvertieren Sie die Rohdaten in Kraft und Umlenkung mit den folgenden Umrechnungsfaktoren:
Kraft = (Load Cell Maximum Value / 30000) * Zahl generiert durch UTM (2)
Durchbiegung = 0,001 mm * Anzahl generiert durch UTM (3)
Berechnen Sie die Biegefestigkeit und den Biegestamm jeder Probe:
Biegefestigkeit _f = (3FL)/(2wt²) (4)
Biegedehnung _f = (6Dt)/(L²) (5)
Zeichnen Sie eine Spannungs-Dehnungs-Kurve für jede Probe. Lassen Sie_die horizontale Achse und_f die vertikale Achse sein.
Suchen Sie die maximalen Werte für die Werte_f und_f für jede Probe. Wählen Sie für die zusammengesetzten Samples den_Wert f aus, der dem maximalen Wert_von f entspricht.
Finden Sie den Biegemodul E_f, indem Sie die Neigung der Kurve im elastischen Bereich berechnen.
Suchen Sie den Bereich unter jeder Spannungs-Dehnungskurve.

5. Datenanalyse

Vergleich der Biegefestigkeit und des Moduls der Verbundproben mit der der Glattputzprobe
Da das UTM eine einzelne Spaltentextdatei generiert, muss die MATLAB-Schnittstelle sowohl für Kraft als auch für Ablenkung die entsprechenden Werte in verschiedene Arrays sortieren. Um also sowohl die Kraft als auch die Ablenkung zu bestimmen, die für die Gleichungen 4 und 5erforderlich sind, sollten die Gleichungen 2 und 3 in MATLAB implementiert werden.
Bei Verwendung eines Wägezellenmaximums von 1000 ist die Bestimmung von Biegefestigkeit und Dehnung die Kombination aller Gleichungen. Da MATLAB auch die Spannungs-Dehnungskurve jeder Probe erzeugt, wurde der Biegemodul durch Berechnung der Steigung des elastischen Bereichs ermittelt. Mit Gleichung 6wird der Biegemodul in Bezug auf die beiden ausgewählten Punkte im Spannungs-Dehnungsdiagramm berechnet:
(6)
Bei der Untersuchung einer Probedaten werden wir feststellen, dass bei der Hinzukommen verschiedener Verstärkungsformen die Festigkeit der Proben erhöht wird, wobei Glasfaserband die größte zusätzliche Festigkeit bietet. In Bezug auf die Duktilität (die als die “plastisch verformbarste” betrachtet werden kann) wird die Glasfaserband verstärkte Probe wird auch die größte sein.
Außerdem beeinflussen Faserlänge und -ausrichtung die Eigenschaften von Verbundproben drastisch. Eine maximale Verstärkung kann beispielsweise nur erreicht werden, wenn das Glasfaserband parallel zu den Oberflächen der Probe eingestellt ist. Dabei kann das Fiberglasband durch diese räumliche Ausrichtung zusätzlichen Kräften standhalten, wenn die Gipsmatrix versagt. Darüber hinaus kann auch der Schluss gezogen werden, dass längere Streifen von Glasfaserband mehr Festigkeit als kürzere Streifen bieten würden. Längere Teile würden eine maximale Traktion unter den Bedingungen eines 3-Punkt-Biegetests ermöglichen, da mehr Putz die Glasfaserverstärkung umgibt.
Energieaufnahme beim Bondtest
Der Bereich unter der Spannungs-Dehnungskurve stellt die Energie dar, die ein Material vor dem Ausfall absorbiert. Nach den Ergebnissen, die wir erzielen werden, wird gezeigt, dass die glasfaserverstärkte Probe die größte Menge an Energie absorbiert. Da die Zähigkeit der Fähigkeit eines Materials entspricht, Energie aufzunehmen und sich plastisch ohne Frakturzuformen zu verformen, erwies sich die Fiberglasprobe als die duktilste, indem sie die größte Energiemenge absorbierte; die Fiberglasprobe ist von Natur aus die härteste unter den dreien. Daher ist Zähigkeit das Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität, und die Fiberglasprobe hatte die größte Fläche unter ihrer Spannungsdehnungskurve.
Berechnung der theoretischen Festigkeit der gehackten Faser- und Glasfaserbandverbundwerkstoffe unter Verwendung der Formel “Regel der Mischungen” (die relevanten Materialeigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt).
Die theoretische Festigkeit des Verbunds kann durch Gleichung 1 berechnet werden, wobei:
V_F = Volumenanteil der Faser = (Faservolumen)/(Gesamtvolumen der Probe)
Volumen der Faser = (Masse der Faser)/(Dichte der Faser)
Volumenanteil = V_P = 1- V_F .

	Dichte, g/ml	Biegefestigkeit, MPa
Gehackte Glasfasern	2.5	35
Fiberglasband	0.45	35
	Na	Na

Tabelle 1. Materialeigenschaften.

Ein Verbundwerkstoff ist ein Material, das durch die Kombination einer Matrix mit einem oder mehreren Bewehrungsmaterialien gebildet wird. Die Gesamtbiegefestigkeit eines Verbundwerkstoffs hängt von den Eigenschaften der Materialien ab, aus der er besteht. Eine Keramik ist ein hartes Material mit starken Kompressionseigenschaften, aber dieses Material ist auch sehr spröde. Durch das Mischen von Glas- oder Polymerfasern verwandelt es sich in ein duktileres Material.

Bei künstlichen Knochenverbundwerkstoffen bietet die Keramik beispielsweise die erforderliche Druckfestigkeit, während die Polymerfasern die Zug- und Biegefestigkeit hinzufügen. Durch die Kombination von Keramik- und Polymerwerkstoffen in unterschiedlichen Mengen können einzigartige Materialien für eine spezifische Anwendung erstellt werden.

Dieses Video wird zeigen, wie man drei keramische Matrix-Verbundwerkstoffe mit von Paris macht und bestimmt, welche Zubereitung die stärksten Biegeeigenschaften hat. Die Biegefestigkeit dieser Proben würde mit dem Dreipunktbiegetest gemessen.

Werfen wir einen genaueren Blick auf den Drei-Punkte-Biegetest. Bei diesem Verfahren wird eine stabförmige Probe längs auf zwei parallelen Stiften montiert. Die Montage sollte so sein, dass es das Material dehnen und unter einer äußeren Kraft biegen lässt.

Bei diesem Test wird eine externe Kraft senkrecht zur Probe in der Mitte angewendet. Als Ergebnis erfährt es Kompressionskraft auf der Seite, wo externe Last angewendet wird und Zugkraft auf der gegenüberliegenden Seite, wo es gedehnt wird. Die Kombination dieser beiden Kräfte schafft auch einen Bereich von schiere Mime entlang der Mittellinie.

Diese drei Kräfte entscheiden zusammen über die Biege- oder Biegefestigkeit einer bestimmten Probe. Mit einer Erhöhung der äußeren Kraft erhöht sich auch die Biege- oder Umlenkung eines Materials, bis das Material ausfällt. Die Biegedehnung eines Materials kann mit Hilfe der Durchbiegung, Spannweite und Dicke der Probe berechnet werden. Die Biegespannung des Materials kann aus der angewendeten Kraft, Spannweite, Breite und Dicke der Probe berechnet werden.

Der Dreipunkt-Biegetest ergibt eine Biege- und Dehnungskurve eines Materials. Die Neigung einer Kurve im elastischen Bereich stellt den Biegemodul der Probe dar und misst, wie viel ein bestimmtes Material gebeugt werden kann. Der Bereich unter der Spannungs-Dehnungskurve stellt die Menge an Energie dar, die von einem Material vor dem Ausfall absorbiert wird, daher ist er ein Maß für die Zähigkeit des Materials.

Theoretisch kann die maximale Biegefestigkeit eines Verbundwerkstoffs mit der Regel der Mischungen unter Verwendung der maximalen Biegefestigkeit seiner Matrix und Verstärkungsmaterialien unter Volumenfraktionen berechnet werden.

Nun, da Sie verstehen, wie die Dreipunktbiegemethode funktioniert und wie die Biegeeigenschaften des Materials gemessen werden, machen wir drei keramische Verbundwerkstoffe und finden heraus, welche die höchste Biegefestigkeit hat.

Lassen Sie uns zunächst drei Proben von keramischen Matrix-Verbundwerkstoffen machen. Um zu beginnen, erhalten Sie eine blaue Gummiform, die drei bar-förmige Proben machen kann. Wir machen Ihre erste Probe aus dem schlichten. Zunächst wiegen 40 Gramm trockenes Gipspulver in einen Plastikbecher, dann langsam 20 Milliliter entionisiertes Wasser hinzufügen und mit einem Stock rühren, bis eine glatte Konsistenz erreicht ist. Fahren Sie sofort mit dem nächsten Schritt fort, da der Putz in etwa fünf Minuten zu härten beginnt. Als nächstes gießen Sie die resultierende Gülle in eines der Fächer der Form. Füllen Sie die Form vollständig und glätten Sie sie mit dem Stock. Schließlich werfen Sie den Becher und alle überschüssigen. Bitte halten Sie den Stick für die zukünftige Verwendung.

Sie werden Ihre zweite zusammengesetzte Probe mit dem Gipspulver und gehackten Glasfasern machen. Um dies zu tun, wiegen Sie zuerst vier Gramm gehackte Glasfasern in einen Plastikbecher. Als nächstes wiegen 40 Gramm Gipspulver in die gleiche Tasse dann langsam fügen 20 Milliliter deionisiertes Wasser. Rühren Sie die Gülle mit dem Stock so lange, bis die Fasern gründlich eingemischt sind und eine glatte Konsistenz erreicht ist. Gießen Sie die Gülle in die zweite Form, wie für Probe eins beschrieben.

Sie werden die letzte Zusammengesetzte Probe mit dem einfachen Gipspulver und dem Glasfaserband machen. Um dies zu tun, schneiden Sie zuerst zwei Streifen Glasfaserband etwa fünf Zoll lang und wiegen sie. Zweitens, machen Sie eine Gülle mit einem einfachen Gipspulver, wie Sie für die erste Probe getan haben.

Als nächstes gießen Sie etwa 1/3 des Putzes in die Form. Legen Sie einen Streifen Glasfaserband auf den Putz und drücken Sie mit einem Stock nach unten. Achten Sie immer darauf, dass der Putz das Glasfaserglas gründlich benetzt und dann etwa 1/2 des restlichen Putzes auf das Glasfaserband gießt.

Als nächstes legen Sie den zweiten Bandstreifen auf den Putz und drücken Sie ihn mit einem Stock nach unten. Gießen Sie den Rest des Putzes auf den zweiten Streifen und drücken Sie ihn mit dem Stock nach unten.

Messen Sie die durchschnittliche Länge, Breite und Höhe jedes Balkens. Messen Sie die Spannweite der Probe auf einer Dreipunkt-Prüfvorrichtung mit kalibrierten Kalibern. Stellen Sie das UTM-Instrument auf Null ein und initiieren Sie eine zusätzliche Verdrängungsgeschwindigkeit von fünf Millimetern pro Minute.

Für den einfachen Putz und gehackte Glasfaserproben, führen Sie den Test, bis die Proben fehlschlagen. Führen Sie für den Glasfaserbandverbund den Test aus, bis die Durchbiegung sechs Millimeter beträgt. Verwenden Sie das Lab-View-Programm auf Ihrem Computer, um die Daten aus jedem Test in einer Textdatei zu sammeln.

UTM generiert eine einzelne Spaltentextdatei für Kraft und Ablenkung. Die Lab-Ansichtsschnittstelle sortiert die entsprechenden Messwerte in zwei verschiedene Arrays. Konvertieren Sie nun die Rohdaten in Kraft und die Ablenkung mithilfe der vom UTM und der Wägezelle generierten Zahlen von maximal 1.000.

Als Nächstes berechnen Sie mit Hilfe der Kraft- und Umlenkwerte die Biegespannung und Dehnung. Zeichnen Sie die biegsuren Dehnungsspannungskurve der drei Proben:, gehacktes Glasverbundwerk und Faserbandverbund. Finden Sie die maximale Biegefestigkeit aus der Kurve. Finden Sie auch die Biegedehnung bei maximaler Festigkeit. Berechnen Sie anschließend den Biegemodul und die Gesamtfläche unter der Kurve für jede Probe.

Vergleichen Sie schließlich die Ergebnisse der drei Stichproben. Dieses Experiment zeigt, dass die gewünschte Festigkeit einer Probe durch den Einsatz verschiedener Verstärkungsmaterialien erreicht werden kann. Bei der Untersuchung der Probendaten stellen wir fest, dass Glasfaserband die größte zusätzliche Festigkeit bietet. Es deckt auch die maximale Fläche unter der Kurve ab, ist daher die härteste unter den dreien. Faserlänge und -ausrichtung beeinflussen die Eigenschaften von Verbundproben drastisch.

Die maximale Verstärkung kann beispielsweise nur erreicht werden, wenn das Glasfaserband parallel zu den Oberflächen der Probe eingestellt ist. Diese räumliche Ausrichtung ermöglicht es dem Glasfaserband, zusätzlichen Kräften standzuhalten, wenn die Gipsmatrix versagt. Längere Teile würden eine maximale Traktion unter dem Test ermöglichen, da es mehr Putz um die Glasfaserverstärkung gibt.

Keramische Matrix-Verbundwerkstoffe werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt: Weltraumwissenschaft, Bioengineering und Kfz-Bruchsysteme. Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe werden auch bei der Synthese unserer künstlichen Knochen verwendet. Unsere Knochen haben von Natur aus eine starke Verbundstruktur, so dass die Fähigkeit, einen Knochen aufgrund von Krankheit oder traumatischen Verletzungen zu ersetzen und zu replizieren ist ein wichtiger Bestandteil der medizinischen Wissenschaft.

Keramikverbundwerkstoffe bieten aufgrund ihrer höheren Festigkeit, höheren thermischen Stabilität und ihres geringeren Verschleißes auch außergewöhnliche Zerbruchsysteme für Die Automobilindustrie. Aus diesen Gründen werden sie in Sportwagen eingesetzt.

Sie haben gerade Joves Einführung in Keramische Matrix-Verbundwerkstoffe und ihre Biegeeigenschaften gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie Sie ein Verbundwerkstoff herstellen, seine Biegeeigenschaften mit dem Dreipunktbiegetest testen und es mit den anderen Verbundwerkstoffen vergleichen.

Danke fürs Zuschauen.

Results

Das übergeordnete Ziel der Reihe der vorgenannten Tests besteht darin, die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften zwischen verschiedenen zusammengesetzten Knochenersatzstoffen zu vergleichen. Die Biegefestigkeit und Dehnung muss mit den Gleichungen 4 bzw. 5 berechnet werden. Die Spannung und Belastung für jede Probe wird in MATLAB dargestellt. Daraus lassen sich die maximale Biegefestigkeit und die entsprechende Biegedehnung für jeden Datensatz finden. Die Spannung (–_f1, f2) und die Dehnung (,_f1, f2) für jeden Datenpunkt werden dann in Gleichung 6 verwendet, um den Biegemodul für jede Probe zu bestimmen.

Applications and Summary

Dieses Experiment wurde entwickelt, um die Biegefestigkeit an drei verschiedenen Arten von Verbundwerkstoffen zu untersuchen. Wir haben drei Exemplare mit unterschiedlichen Bewehrungsmaterialien gefertigt. Die Matrix war von Paris (eine Calciumsulfat-Verbindung), und wir verwendeten gehackte Glasfasern und Fiberglasband als Verstärkungen. Wir führten 3-Punkt-Biegetests an den gefertigten Proben durch und analysierten die erreichten Daten und verglichen die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen, die mit langen, orientierten Fasern hergestellt wurden, mit kurzen Zufallsfasern.

Knochen haben von Natur aus eine starke Verbundstruktur, eine Anpassung an die vielen verschiedenen Kräfte, denen der Körper auf einer konsistenten Basis standhalten muss. Die Verbundstruktur kann als keramikmatrix beschrieben werden, die mit Polymerfasern durchsetzt ist. Der keramische Aspekt sorgt für eine hohe Druckfestigkeit, während die Polymerfasern zu einer erhöhten Biegefestigkeit führen. Offensichtlich ist die Fähigkeit, Knochen aufgrund von Krankheiten oder traumatischen Verletzungen zu ersetzen und zu replizieren, als biomedizinische Ingenieure eine wichtige Facette der medizinischen Wissenschaft. Darüber hinaus ist die Synthese geeigneter Ersatzgewebe aus verschiedenen Metallen, Polymeren oder Keramiken eine praktikable Alternative. Bioengineered Ersatz muss mit der Funktionalität ihrer biologischen Pendants übereinstimmen, und die kritische Analyse und Prüfung verschiedener Biomaterialien wird immer wichtiger.

Transcript

A composite is a material formed by combining a matrix and one or more reinforcement materials. The overall bending strength of a composite depends on the properties of the materials it is made up of. A ceramic is a hard material with strong compression properties, but this material is also very brittle. By mixing it glass or polymer fibers, it turns into a more ductile material.

For example, in artificial bone composites, the ceramic provides the required compressive strength while the polymer fibers add the tensile and flexural strength to it. By combining ceramic and polymer materials in different amounts, unique materials can be created tailored for a specific application.

This video will illustrate how to make three ceramic matrix composites with plaster of Paris and determine which preparation has the strongest bending properties. The flexural strength of these samples would measured using the three-point bending test.

Let us have a closer look at the three-point bending test. In this method a bar shaped sample is mounted lengthwise on two parallel pins. The mounting should be such that it allows the material to stretch as well as bend under an external force.

In this test, an external force is applied perpendicular to the sample in the middle. As a result, it undergoes compression force on the side where external load is applied and tensile force on the opposite side where it gets stretched. The combination of these two forces also creates an area of sheer stress along the midline.

These three forces together decide the bending or flexural strength of a given sample. With an increase in the external force, the amount of bending or deflection of a material also increases until the material fails. The flexural strain on a material can be calculated using the deflection, span length, and thickness of the sample. The flexural stress of the material can be calculated from the applied force, span length, width, and thickness of the sample.

The three-point bending test gives a flexural stress and strain curve of a material. The slope of a curve in the elastic region represents the flexural modulus of the sample and measures how much a given material can be flexed. The area under the stress-strain curve represents the amount of energy absorbed by a material before failure, hence, it is a measure of the toughness of the material.

Theoretically, the maximum flexural strength of a composite can be calculated with the rule of mixtures using the maximum flexural strength of its matrix and reinforcement materials under volume fractions.

Now that you understand how the three-point bending method works and how to measure the bending properties of the material, let’s make three ceramic based composites and find out which one has the highest bending strength.

First let’s make three samples of ceramic matrix composites. To begin, get a blue rubber mold which can make three bar-shaped samples. We will make your first sample from the plain plaster. To begin with, weigh 40 grams of dry plaster powder into a plastic cup then slowly add 20 milliliters of deionized water and stir it with a stick until a smooth consistency is achieved. Proceed immediately to the next step because the plaster starts to harden in approximately five minutes. Next, pour the resulting slurry in one of the compartments of the mold. Fill the mold completely and smooth it over with the stick. Finally, throw away the cup and any excess plaster. Please keep the stick for future use.

You will make your second composite sample using the plaster powder and chopped glass fibers. To do that, first weigh four grams of chopped glass fibers into a plastic cup. Next, weigh 40 grams of plaster powder into the same cup then slowly add 20 milliliters of deionized water. Keep stirring the slurry with the stick until the fibers are thoroughly mixed in and a smooth consistency is achieved. Pour the slurry into the second mold as described for sample one.

You will make the last composite sample using the plain plaster powder and the fiber glass tape. To do that, first cut two strips of fiber glass tape about five inches long and weigh them. Second, make a slurry with a plain plaster powder as you did for the first sample.

Next, pour about 1/3 of the plaster into the mold. Place one strip of fiber glass tape on top of the plaster and press down with a stick. Always make sure that the plaster thoroughly wets the fiber glass then pour about 1/2 of the remaining plaster on top of the fiber glass tape.

Next, place the second strip of tape on top of the plaster and press it down with a stick. Pour the rest of the plaster on top of the second strip and press it down with the stick.

Measure the average length, width, and height of each bar. Measure the span length of the sample on three-point test fixture using calibrated calibers. Set the UTM instrument to zero and initiate added displacement speed of five millimeters per minute.

For the plain plaster and chopped glass fiber samples, run the test until the samples fail. For the fiber glass tape composite, run the test until the deflection is six millimeters. Use the lab view program on your computer to collect the data from each test into a text file.

UTM generates a single column text file for both force and deflection. The lab view interface sorts the corresponding readings into two different arrays. Now, convert the raw data into force and deflection using the numbers generated by the UTM and load cell maximum value of 1,000.

Next, using the force and deflection values, calculate the flexural stress and strain. Plot the flexural strain-stress curve of the three samples: plaster, chopped glass composite, and fiber tape composite. Find the maximum flexural strength from the curve. Also find the flexural strain at the maximum strength. Next, calculate the flexural modulus and the total area under the curve for each sample.

Finally, compare the results of the three samples. This experiment demonstrates that the desired strength of a sample can be achieved by using different reinforcement materials. Examining the sample data, we see that fiber glass tape provides the greatest additional strength. It also covers the maximum area under the curve, hence is the toughest among the three. Fiber length and orientation drastically affect the properties of composite samples.

For example, the maximum reinforcement can only be achieved when the fiber glass tape is set parallel to the surfaces of the specimen. This spatial orientation allows the fiber glass tape to withstand additional forces as the plaster matrix fails. Longer pieces would allow for maximum traction under the test as there is more plaster surrounding the fiber glass reinforcement.

Ceramic matrix composites are used in a wide range of fields: space science, bioengineering, and automotive breaking systems. Ceramic matrix composites are also used in synthesizing our artificial bones. Our bones inherently have a strong composite structure thus having the ability to replace and replicate a bone due to disease or traumatic injury is important component of medical science.

Ceramic composites also provide exceptional automotive breaking systems because of their higher strength, higher thermal stability, and lower wear. For these reasons they are used in sports cars.

You’ve just watched Jove’s Introduction to Ceramic Matrix Composite Materials and Their Bending Properties. You should now understand how to make a composite material, test its bending properties using the three-point bending test, and compare it with the other composites.

Thanks for watching.

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