Materiales compuestos de matriz cerámica y sus propiedades de flexión

1. Hacer una muestra de yeso simple

1. Obtenga un molde de goma azul del instructor. Cada molde puede hacer 3 muestras en forma de barra, el tamaño de cada barra es aproximadamente de aproximadamente 26 mm de ancho, 43 mm de longitud y 10 mm en el espesor.
2. Pesar 40 gramos de polvo de yeso seco en una taza de papel. Añadir lentamente 20 ml de agua desionizada, y remover la mezcla con un palo de madera, hasta lograr una consistencia suave. ¡Proceda inmediatamente al paso 3! El yeso comienza a endurecerse en 5 minutos.
3. Vierta la suspensión resultante en uno de los compartimentos del molde. Llene el molde por completo, y alisarlo con el palo de madera. Tire la taza y el exceso de yeso; mantener el palo para su uso futuro.

2. Fabricación de dos muestras compuestas

1. Preparar la muestra hecha con refuerzo de fibra picada:
   a.) Pesar 4 gramos de fibras de vidrio picadas en una taza de papel.
   b.) Pesar 40 gramos de polvo de yeso en la misma taza.
   c.) Añadir lentamente 20 ml de agua desionizada, y remover la mezcla con el palo de madera, hasta que las fibras se mezclen a fondo, y se logra una consistencia suave.
   d.) Vierta la suspensión en uno de los compartimentos del molde. Llene el molde por completo, y alisarlo con el palo de madera.
2. Preparar la muestra hecha con cinta de fibra de vidrio:
   a.) Cortar 2 tiras de cinta de fibra de vidrio, de aproximadamente 5 pulgadas de largo. Pesar las tiras.
   b.) Pesar 40 gramos de polvo de yeso seco en una taza de papel. Añadir lentamente 20 ml de agua desionizada y remover la suspensión hasta lograr una consistencia suave.
   c.) Vierta alrededor de un tercio del yeso en el molde. Coloque una tira de cinta de fibra de vidrio en la parte superior del yeso y presione hacia abajo con el palo de madera. Asegúrese de que el yeso humedezca completamente la cinta de fibra de vidrio.
   d.) Vierta aproximadamente la mitad del yeso restante en la parte superior de la cinta de fibra de vidrio. Coloque la segunda tira de cinta en la parte superior del yeso, y presione hacia abajo con el palo de madera.
   e.) Vierta el resto del yeso en la parte superior de la segunda tira, y presione hacia abajo con el palo de madera. Asegúrese de que el yeso humedezca completamente la cinta de fibra de vidrio y exprima las burbujas de aire.

3. Realización de experimentos

1. Mida la longitud, el grosor y la anchura medios de cada barra Medir L (longitud de la longitud en la figura siguiente) en el accesorio de prueba de 3 puntos, utilice pinzas calibradas para la medición.
2. Utilice una velocidad de desplazamiento de 5 mm/min para todas las pruebas. (El UTM debe ser a cero e iniciado a una velocidad de desplazamiento de 5 mm/min). Para el yeso liso y la muestra de fibra picada, ejecute la prueba hasta que la muestra falle. Para la muestra de cinta de fibra de vidrio, ejecute la prueba hasta que la desviación sea de 6 mm.
3. Utilice el programa LabVIEW del equipo para recopilar los datos de cada prueba en un archivo de texto.

4. Programa MATLAB

1. Cree un programa MATLAB que haga lo siguiente:
2. Lea un archivo de texto de una sola columna y separe los datos de entrada en vigor y deflexión. Convierta los datos sin procesar en vigor y desviación utilizando los siguientes factores de conversión:
   Fuerza á (Valor máximo de celda de carga / 30000) * Número generado por UTM (2)
   Deflexión: 0,001 mm * Número generado por UTM (3)
3. Calcular la resistencia a la flexión y la tensión flexural de cada muestra:
   Resistencia a la flexión f a (3FL)/(2wt²) (4)
   Tensión flexible f_á (6Dt)/(L²) (5)
4. Trazar una curva de tensión-deformación unitaria para cada muestra. Sea el eje horizontal y el eje vertical.
5. Encuentre los_valores máximos de los valores de las f_y f para cada muestra. Para las muestras compuestas, seleccione el valor_{de f} que corresponda al valor máximo_{de f.}
6. Encuentre el módulo flexural E_f calculando la pendiente de la curva en la región elástica.
7. Encuentre el área debajo de cada curva de tensión-deformación unitaria.

5. Análisis de datos

1. Comparación de la resistencia a la flexión y el módulo de las muestras compuestas con la de la muestra de yeso liso
   Puesto que el UTM genera un archivo de texto de una sola columna, tanto para la fuerza como para la desviación, la interfaz MATLAB tiene que ordenar los valores correspondientes en diferentes matrices. Por lo tanto, para determinar tanto la fuerza como la desviación necesarias para las ecuaciones 4 y 5,las ecuaciones 2 y 3 deben implementarse en MATLAB.
   Usando un Load Cell Maximum de 1000, la determinación de la fuerza y la tensión de flexión es la combinación de todas las ecuaciones. Dado que MATLAB también genera la curva de tensión-deformación unitaria de cada muestra, el módulo de flexión se comprobó calculando la pendiente de la región elástica. Utilizando la Ecuación 6, el módulo de flexión se calculará con respecto a los dos puntos seleccionados en la gráfica de tensión-deformación unitaria:
   (6)
   Examinando los datos de una muestra, veremos que a medida que se añaden diferentes formas de refuerzo, la fuerza de las muestras se incrementará, con cinta de fibra de vidrio que proporciona la mayor resistencia adicional. En términos de ductilidad, (que puede ser considerado como el "más plásticomente deformable") la muestra reforzada con cinta de fibra de vidrio también será la más grande.
   Además, la longitud y la orientación de la fibra afectan drásticamente las propiedades de las muestras compuestas. Por ejemplo, el refuerzo máximo sólo se puede lograr cuando la cinta de fibra de vidrio se establece paralela a las superficies de la muestra. Al hacerlo, esta orientación espacial permite que la cinta de fibra de vidrio resista fuerzas adicionales a medida que falla la matriz de yeso. Además, también se puede concluir que las tiras más largas de cinta de fibra de vidrio resultarían proporcionar más resistencia que las tiras más cortas. Las piezas más largas permitirían una tracción máxima en las condiciones de una prueba de flexión de 3 puntos, ya que hay más yeso alrededor del refuerzo de fibra de vidrio.
2. Absorción de energía durante la prueba de unión
   El área debajo de la curva de tensión-deformación unitaria representa la energía que un material absorbe antes del fallo. De acuerdo con los resultados que lograremos, se demostrará que la muestra reforzada de fibra de vidrio absorbe la mayor cantidad de energía. Además, dado que la dureza corresponde a la capacidad de un material para absorber energía y deformar plásticamente sin fracturarse y la muestra de fibra de vidrio demostró ser la más dúctil al absorber la mayor cantidad de energía; la muestra de fibra de vidrio es intrínsecamente la más dura entre las tres. Por lo tanto, la dureza es el equilibrio entre fuerza y ductilidad, y la muestra de fibra de vidrio tenía el área más grande debajo de su curva de tensión.
3. Cálculo de la resistencia teórica de los compuestos de fibra picada y cinta de fibra de vidrio utilizando la fórmula "regla de mezclas" (las propiedades del material pertinentes se enumeran en el Cuadro 1).
   La fuerza teórica del compuesto se puede calcular a través de la Ecuación 1, donde:
   V_F - fracción de volumen de la fibra (volumen de fibra)/(volumen total de la muestra)
   Volumen de la fibra (masa de fibra)/(densidad de fibra)
   Fracción de volumen de yeso á V_P a 1- V_F .

	Densidad, g/ml	Fuerza de flexión, MPa
Fibras de vidrio picadas	2.5	35
Cinta de fibra de vidrio	0.45	35
Yeso	Na	Na

Tabla 1. Propiedades del material.