Keramische Faserverbundwerkstoffe und ihre Biegeeigenschaften

1. Eine einfache Gipsprobe

1. 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.
2. 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.
3. 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

1. 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.
2. 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

1. 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.
2. 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.
3. Verwenden Sie das LabVIEW-Programm auf dem Computer, um die Daten aus jedem Test in einer Textdatei zu sammeln.

4. MATLAB Programm

1. Erstellen Sie ein MATLAB-Programm, das Folgendes tut:
2. 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)
3. Berechnen Sie die Biegefestigkeit und den Biegestamm jeder Probe:
   Biegefestigkeit _f = (3FL)/(2wt²) (4)
   Biegedehnung _f = (6Dt)/(L²) (5)
4. Zeichnen Sie eine Spannungs-Dehnungs-Kurve für jede Probe. Lassen Sie_die horizontale Achse und_f die vertikale Achse sein.
5. 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.
6. Finden Sie den Biegemodul E_f, indem Sie die Neigung der Kurve im elastischen Bereich berechnen.
7. Suchen Sie den Bereich unter jeder Spannungs-Dehnungskurve.

5. Datenanalyse

1. 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.
2. 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.
3. 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.