Una plataforma de pruebas de Estudios de durabilidad de Polímeros y reforzados con fibra de polímero composites bajo estímulos Concurrente Hygrothermo-mecánica

El polímero y polímero reforzado con fibras (FRP) compuestos se han adoptado en una variedad de estructuras de ingeniería, que van desde aviones y naves espaciales, buques de guerra, infraestructuras civiles, (véase, por ejemplos los comentarios de Katnam et al. ^{1, 2} Hollaway, Mouritz et al . ^3), coches y trenes, palas de aerogeneradores, a prótesis y biomateriales para suturas e implantes. Durabilidad Estos materiales se ve afectada por los escenarios complejos de servicios, que pueden incluir una combinación de a) termomecánica de carga, por ejemplo, ciclos hielo-deshielo en infraestructura civil, ^4, perfiles subsónicos vuelo / supersónico ^5, el desgaste de polietileno con respaldo metálico ⁶⁾ ; b) la degradación debida a los agentes ambientales y químicos, por ejemplo, agua de mar, de deshielo, fluidos hidráulicos para la industria aeroespacial y naval estructuras ^10/07, de degradación de compuestos dentales polimetilmetacrilato debido a la saliva de ^11; c) inte complejoracciones de materiales en las articulaciones fijadas o unidas, por ejemplo, la corrosión galvánica y desunión entre materiales distintos, ya sea en un parche de reparación de carbono / fibra en una piel de aluminio del avión, o una placa ósea / PEEK carbono fijado por el acero inoxidable ^12.

Hay lamentablemente limitado conocimiento del impacto de los estímulos simultáneos en servicio en la durabilidad a largo plazo de estos materiales. La mayoría de los polímeros pueden ser categorizados como materiales viscoelásticos. Cargas mecánicas y las condiciones ambientales influyen significativamente la respuesta viscoelástica de polímeros. Por lo tanto, los modelos fiables de comportamiento a largo plazo de estos materiales deberían ser capaces de incorporar las respuestas en función del tiempo para higrotérmico acoplado, estímulos mecánicos, químicos. Esto a su vez mejorar las predicciones de diseño, seguridad y protocolos de mantenimiento / reemplazo basados ​​en condiciones.

Hay un cuerpo de literatura general sobre ensayos experimentales sobre los efectos higrotérmicas, Para las pruebas de difusión ejemplo higrotérmicas: si la escala de las muestras lo permite, las muestras de material pueden estar colocados en una cámara a los niveles de humedad y temperatura deseados. Las muestras se retiran periódicamente para medir su masa y / o cambios de volumen para una cantidad dada de tiempo, de semanas a años ^10,13-17. La prueba higrotérmico puede ser seguido por pruebas mecánicas, es decir, la fuerza estática / fatiga residual / pruebas de mecánica de fractura ^17-19, que sólo da información sobre el efecto de los estímulos higrotérmico en las respuestas mecánicas de los materiales. Los datos de prueba pueden ser instalados en los modelos de difusión de diversa complejidad, de la difusión de Fick simple de modelos que incluyen la dependencia de la concentración, el estrés, la temperatura, reversible física envejecimiento / plastificación y las reacciones químicas irreversibles. Esta salida experimental se puede incorporar además en los análisis estructurales.

Pocos autores han abordado el impacto de hy simultáneagrothermal y estímulos mecánicos. Entre esos materiales compuestos FRP investigan, Neumann y Garom ²⁰ inmersa estresados ​​y no estresados ​​muestras en agua destilada. El estrés se aplicó mediante la colocación de los especímenes dentro de los resortes de acero inoxidable comprimido, ajuste de la carga mediante el uso de diferentes rigideces de resorte y cargas de compresión. Un procedimiento similar se informó por Wan et al. ^21. Helbling y Karbhari ²² emplearon un accesorio doblado dentro de una cámara ambiental para diferentes porcentajes de humedad relativa (HR%) y los niveles de temperatura. Las muestras pre-acondicionado fueron sometidos a un nivel de deformación por flexión dado, correspondiente a un porcentaje de la tensión máxima a la tracción estática para que compuesto. Kasturiarachchi y Pritchard ²³ 4 prepararon un punto de acero inoxidable plantilla de doblar (una por muestra) que se coloca en un estante en un gran desecador de vidrio. El desecador se llenó parcialmente con agua destilada, tenía pequeñas fugas para evitar la buildup de la presión, y se colocó en una cámara de humedad a 95% de HR. Gellert y Turley ⁷ investigados de grado marino muestras compuestas FRP por su durabilidad bajo carga de fluencia combinado y 100% de humedad relativa. Sus muestras se cargaron en 4 puntos de flexión a una carga constante igual a 20% del fallo de la carga de flexión estática, mientras que totalmente sumergida en agua de mar. La deflexión de fluencia fue adquirida periódicamente mediante el uso de un calibre de espesor entre la superficie exterior de la viga en la sección transversal central, y una placa de vidrio (se infiere que dicha medición se realizó fuera de la cámara). Abdel-Magid et al. ²⁴ coloca muestras de vidrio / epoxi en un accesorio del medio ambiente Invar que fue proporcionada por la NASA Langley, ya que las muestras se cargaron en tensión a lo largo de la dirección de la fibra, al 20% de la carga axial máxima. Ellyin y Rohrbarcher ²⁵ corrieron pruebas higrotérmicas para un máximo de 140 días, y luego probaron los especímenes en la fatiga en una máquina de prueba hidráulica. El espécimens se envolvieron en un paño de queso en húmedo conectada a un tubo y un suministro de agua. Earl et al. ²⁶ coloca su dispositivo de carga y las muestras en una cámara ambiental grande (5,5 m ^3).

Como se discutió en muchos estudios experimentales, las condiciones ambientales afectan a las propiedades y respuestas mecánicas de los polímeros. Algunos experimentos limitados también muestran que la existencia de mecánica de tensión / deformación influye en el proceso de difusión en los polímeros. Por lo tanto, para mejorar la comprensión en el rendimiento global de los materiales a base de polímeros en virtud de efectos mecánicos y no mecánicos, existe una necesidad de pruebas concurrente.

Hubo varios objetivos detrás del diseño de la plataforma de pruebas se discute en este trabajo. En primer lugar, la plataforma forma parte de la configuración experimental en una investigación de varios años en el comportamiento hygrothermo mecánica de los diferentes tipos de materiales compuestos sándwich FRP para el viento turbina de unaplicaciones de ingeniería naval nd. Los datos de prueba se utilizan para calibrar los parámetros en las ecuaciones constitutivas viscoelásticas para los materiales compuestos poliméricos. Los modelos constitutivos se basan en el trabajo desarrollado a lo largo de los años por Muliana y colaboradores ^27-30. El segundo objetivo era tener un bajo coste y de plataforma de pruebas fácil de usar, por ejemplo, uno que podría ser fácilmente trasladado en un laboratorio (por ejemplo, a una escala para las mediciones de masa, o a la fuente del fluido, por ejemplo, uno que viene de un grifo, una campana de humos o un armario inflamable). El tercer objetivo fue crear una plataforma de pruebas que es resistente a una serie de productos químicos comúnmente utilizados en el servicio (en particular, fluido hidráulico, de deshielo, disolventes de limpieza para aplicaciones aeroespaciales ^8-10), así especímenes podrían ser sumergidos en tales productos químicos, y su durabilidad puede ser evaluada.

La cámara (Figura 1) se construyó con polyethyle de alta densidadne, que tiene alta resistencia química. Como se mencionó anteriormente, se espera que el trabajo futuro incluirá investigación-hygrothermo mecánica de materiales compuestos sumergidos en el fluido hidráulico, de deshielo, disolventes de limpieza. Puesto que la regulación térmica es un aspecto integral de la prueba, espuma de poliestireno expandido se ajusta alrededor de los lados del tanque y se fija en su lugar por cinta y la estructura de acero en sí, para evitar el intercambio de calor con el medio ambiente.

La tapa de la cámara (Figura 2) se fabrica a partir de policarbonato transparente o de 9,525 mm de grosor, permitiendo que los usuarios observar las muestras durante la prueba sin molestar a la prueba. La tapa se sujeta en su lugar por las barras en T de aluminio, que se mecanizaron a deslizarse bajo que sobresale por soportes en los lados del tanque.

Doblado en las muestras se promulgó por tres bloques de aluminio, que cuelgan hacia abajo desde la tapa, y se fijan a través de las ranuras de la tapa. Los tres bloques permiten hasta cuatro specimens a ensayar a la vez, mientras que las ranuras de la tapa permiten el espaciado de bloque que se ajusta en función de la longitud de los especímenes. Cada bloque está redondeado en el borde de contacto a un diámetro de 12,7 mm, en la adhesión a la norma ASTM D790-10. Los especímenes se colocan debajo de dos de los tres bloques, con una fuerza hacia arriba aplicada en su centro para inducir flexión (Figuras 1-2).

El aparato ha sido diseñado con la máxima versatilidad y facilidad de uso en mente. Ruedas con 41.275 mm de diámetro se fijan debajo de la cámara para fines de movilidad. Por encima de ellos, el tanque está soportado por un marco de acero soldado con un fondo de malla de alambre y vigas transversales de apoyo. Ángulo espaciadores de existencias de las esquinas de tanques externos fueron fabricados para mantener el aislamiento de ser aplastado por el peso y el desplazamiento indicadores generales (aparato olla cadena, se verá más adelante). Alrededor de la parte superior, el ángulo stock se utilizó de nuevo para enmarcar. Sistemas de poleas y potenciómetro cadena a Measure flexión mitad del tramo se montan en cuatro de acero, arcos cuadrados de tubería (Figura 3). Los centros de dos arcos fuera de estos cuatro llevan los potenciómetros de cuerda y son ajustables para dar cuenta de la muestra versatilidad. Los potenciómetros de cadena se construyeron utilizando un resorte de torsión (como se puede encontrar en cordones llave retráctil) y potenciómetros con salidas electrónicas de tres puntas. Las poleas están alineados y montados para su uso con un cable de acero que va desde una conexión rígida con el espécimen a una varilla que cuelga sobre el lado de la cámara para la aplicación de peso ajustable.

La carga se aplica a la muestra con una serie de cables, poleas, vínculos y pernos. En primer lugar, la muestra se coloca en el perno en U de modo que la barra transversal 10 mm está en contacto con el medio de la luz. Una varilla de acero de diámetro 9,525 mm con pernos de ojo en cada extremo se conecta entonces a la U-perno. Esta conexión de acero pasa a través de la tapa de la cámara. Un cable de acero y Kevlar tHRead están unidos al cáncamo enfrente del U-bolt. Esto permite que el hilo de Kevlar del potenciómetro cadena para leer datos desde un punto rígido. El cable de acero continúa hacia arriba y pasa por encima de dos poleas que permiten que la carga que se aplique en la periferia del tanque. El cable se une entonces a una varilla de acero de diámetro 9,525 mm que sirve como una percha peso ranurada. Esta percha proporciona un lugar donde los pesos ranurados se pueden ajustar con el fin de aplicar la carga deseada.

1. Colocación de las muestras

1. Levante la tapa del depósito y el resto en los soportes laterales (Figura 4).
2. Coloque la muestra en el perno en U, y asegúrese de que la barra transversal está haciendo contacto en el centro de la muestra.
3. Descansar los extremos de la muestra sobre los soportes de aluminio que cuelgan de la tapa. Los extremos de las muestras deben tener 5.10 mm de voladizo.
4. Repita los pasos 1.2 a 1.4 para todas las muestras que se probarán.
5. Retire la tapa apoya, párpado inferior, y asegúrese de que la tapa está sentado en el borde del tanque.
6. Aplicar la fuerza deseada mediante la adición de pesos a la barra de acero junto a la exterior de la polea.

2. Desplazamiento de medición

1. Asegúrese de que la línea potenciómetro cuerda se tensa.
2. Con un multímetro digital, medir la resistencia a través de las patas exteriores del potenciómetro (Figura 3), con el negro al pin 1 y el rojo al pin 3,y registrar la lectura.
3. Convertir la lectura de resistencia en un desplazamiento de lectura mediante el cálculo del factor de calibración (en este caso, 1 kW corresponde a un desplazamiento de 64.895 mm).
4. Repetir los pasos 2.1 a 2.3 para cada espécimen.

3. La ponderación de los especímenes

1. Antes de comenzar el procedimiento de pesaje, registrar los datos de desplazamiento y preparar una cámara de retención provisional lleno del líquido de prueba a temperatura ambiente, según la norma ASTM D5229 ^31, o la norma de ensayo apropiado.
2. Retire los pesos ranurados de los extremos de los cables de acero.
3. Levante la tapa del depósito y el resto en los soportes laterales.
4. Retire la muestra y colóquela en la cámara de retención provisional preparado. Repita este paso para todas las muestras.
5. Retire los especímenes y secarlos individualmente utilizando un paño de microfibra para eliminar el exceso de líquido.
6. Colocar la muestra en una escala de alta precisión y registrar los datos reading.
7. Repita los pasos 03.05 a 03.06 para todos los especímenes y siga Protocolo Paso 1.

El aparato de prueba se ha celebrado con éxito probetas sumergidas en un líquido debajo de tres puntos de flexión. Con precisiones razonables, los especímenes pueden ser cargados y probados con lecturas precisas de los potenciómetros para mediados de punto de desviación cambios. El cambio en la resistencia eléctrica se puede grabar a 4 cifras significativas, lo que resulta en una resolución de desplazamiento del orden de 0,1 micras.

Pruebas Hygrothermo-mecánicos se llevaron a cabo a temperatura ambiente en dos grupos de cuatro muestras de espuma de poliuretano de célula cerrada, con dimensiones nominales 215 mm de longitud x 24 mm de espesor x 18 mm de anchura. Un grupo se puso a prueba en la cámara bajo condiciones secas, que pretende ser a) en el aire, en el interior del tanque, y b) a una humedad relativa ambiente de ~ 50% RH (la prueba se llevó a cabo al final de junio en un laboratorio situado en caliente y seco del norte de California Central Valley, en EE.UU.). Este primer grupo de muestras está aquí indicada como "especímenes secos. El segundo grupo demuestras se ensayaron en el tanque mientras totalmente sumergida en agua desionizada (100% de humedad relativa, en el presente documento indicado como "especímenes húmedos '). Las muestras se cargaron con colgar pesos aproximadamente iguales a 50% de su carga de rotura en condiciones secas estáticas, resultando en (1,780 ± 0,116) kg. La aplicación de cada peso que cuelga tomó unos segundos, para lograr condiciones de carga cuasi estática. Se esperaba que la espuma tendría un comportamiento viscoelástico no lineal, pero no se conoce a priori cómo el estímulos concurrente disminuiría la durabilidad de la espuma con respecto a los especímenes secos.

Las mediciones de resistencia en el multímetro digital se tomaron para cada muestra, en aproximadamente 15 minutos durante las primeras 6 horas de prueba. Las medidas se tomaron de nuevo después de 18 h adicionales. De esto, se siguió el cambio en la desviación de la mitad del tramo. Sobre la base de los datos recogidos, el desplazamiento después de 24 horas para el especímenes seca fue (2,141 ± 0,371) mm,mientras que el desplazamiento para las muestras húmedas fue significativamente mayor, e igual a (14,41 ± 3,62) mm (Figura 5, Tabla 1).

Después de cada operación de prueba, las muestras fueron analizadas para la fuerza residual cargándolos hasta el fallo. Se encontró que las muestras húmedas para tener una carga de rotura residual igual a (2,970 ± 0,246) kg, en comparación con la carga residual de error de (3,623 ± 0,0967) kg para las muestras secas, (Figura 6, Tabla 2). La resolución de las mediciones de carga fracaso residuales fue de ± 0,194 kg.

Figura 1. Visión general de los principales componentes de aparatos de pruebas. A. Tanque de polietileno de alta densidad. B. Ampliado aislamiento de espuma de poliestireno. C. ranurado tapa de policarbonato. D. aluminio T bar y soporte voladizo. Flexión Do E. tres puntospports. F. Marco inferior. Espaciadores de G. Ángulo. H. Marco superior. Asambleas potenciómetro I. Cuerda. J. Baja conjunto de carga. K. pesos ranurados y percha. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2. Detalle de la tapa. A. depósito de polietileno de alta densidad. C. Tapa de policarbonato ranurado. D. aluminio T-bar y el soporte voladizo. E. tres puntos de flexión soportes. Conjunto de carga J. Baja. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3. ong> Montaje potenciómetro cadena del aparato de ensayo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4. Soportes de tapa del aparato de ensayo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5. Plano medio de envergadura variación de desplazamiento con el tiempo, para las muestras secas y húmedas. Motivose Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6. Box parcelas de cargas residuales al fracaso, para muestras secas y húmedas, que muestran la mayor vulnerabilidad de las muestras húmedas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7. Imágenes de especímenes de espuma después de las pruebas de resistencia a la flexión residual: (A) y (B) los especímenes secos, (C) y (D) las muestras mojadas. El ancho de la muestra es nominal24 mm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tabla 1. Desplazamiento en función del tiempo de muestras de espuma en la humedad relativa del ambiente (especímenes secos).

Tabla 2. Desplazamiento en función del tiempo de muestras de espuma en el 100% de humedad relativa (especímenes húmedos).

Los autores no tienen nada que revelar.