Article de méthode

Une plate-forme d'essais pour une durabilité études de polymères renforcés de fibres et polymères Composites sous stimuli Concurrent Hygrothermo-mécanique

DOI :

10.3791/52464

⸱

11 décembre 2014

 ,  ,  , 
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California, Davis

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La durabilité des polymères et des composites polymères renforcés de fibres en service est un aspect critique pour leur conception et leur maintenance conditionnelle. Nous présentons une nouvelle plate-forme d’essai en laboratoire à faible coût pour l’étude de l’influence des charges mécaniques et environnementales simultanées, et pourrions aider à concevoir des structures composites plus efficaces et plus sûres.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La durabilité des polymères et des composites polymères renforcés de fibres dans des conditions de service est un aspect essentiel à régler pour leurs conceptions robustes et la maintenance conditionnelle. Ces matériaux sont adoptées dans un large éventail d'applications d'ingénierie, de structures d'aéronefs et de navires, des ponts, des lames d'éoliennes, les biomatériaux et les implants biomédicaux. Les polymères sont des matériaux viscoélastiques, et leur réponse peut être fortement non linéaire et donc rendre difficile à prévoir et à surveiller leur performance en service. La plate-forme de tests en laboratoire présentées ici assiste l'enquête de l'influence des charges mécaniques simultanées et des conditions environnementales sur ces matériaux. La plate-forme a été conçue pour être peu coûteux et facile à utiliser. Ses matériaux résistants aux produits chimiques font la plate-forme adaptable à des études de la dégradation chimique due à l'exposition en service aux fluides. Un exemple d'expérience a été menée à la température ambiante sur polyuréthane à cellules ferméeséchantillons de mousse chargées avec un poids correspondant à environ 50% de leur charge statique et sec ultime. Les résultats montrent que l'appareil d'essai est approprié pour ces études. Les résultats mettent aussi en évidence la plus grande vulnérabilité du polymère sous une charge simultanée, sur la base des déplacements supérieurs point milieu et charges de rupture résiduelles inférieures. Des recommandations sont faites pour des améliorations supplémentaires à l'appareil de test.

Introduction

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Polymère et polymère renforcé de fibres (PRF) ont été adoptées dans une variété de structures d'ingénierie, allant de véhicules aériens et spatiaux, navires de guerre, les infrastructures civiles, (voir par exemple les commentaires de Katnam et al. 1, Hollaway 2, Mouritz et al . 3), les voitures et les trains, les pales d'éoliennes, à des prothèses et des biomatériaux pour sutures et les implants. La durabilité de ces matériaux est affecté par des scénarios complexes de services, qui peuvent inclure une combinaison d'un) thermo-mécanique de chargement, par exemple, cycles gel-dégel dans l'infrastructure civile 4, les profils subsonique vol supersonique / 5, porter dans polyéthylène dos métallique 6) ; b) la dégradation due à des agents environnementaux et chimiques, par exemple, l'eau de mer, de dégivrage, fluide hydraulique pour l'aérospatiale et navales structures 7-10, dégradation des composites dentaires polyméthacrylate de méthyle en raison de la salive 11; c) inte complexeractions de matériaux dans les joints fixés ou collés par exemple, la corrosion galvanique et décollement entre matériaux différents, que ce soit dans un carbone / fibre rapiéçage sur une peau d'avion en aluminium, ou d'un / PEEK plaque osseuse de carbone fixé par l'acier inoxydable 12.

Il est malheureusement connaissance de l'impact des stimuli simultanés en service sur la durabilité à long terme de ces matériaux limitée. La plupart des polymères peuvent être classés comme matériaux viscoélastiques. Charges mécaniques et les conditions environnementales influencent significativement la réponse viscoélastique des polymères. Ainsi, des modèles fiables pour le comportement à long terme de ces matériaux devraient être en mesure d'intégrer les réponses en fonction du temps à hygrothermique couplé, mécaniques, des stimuli chimiques. Cela permettra d'améliorer les prévisions de conception, de la sécurité et des protocoles de maintenance / remplacement basés sur des conditions.

Il ya un grand corps de la littérature sur les essais expérimentaux sur les effets hygrothermiques, Pour les tests de diffusion exemple hygrothermiques: si l'échelle des échantillons le permet, les échantillons de matériaux peuvent être placés dans une chambre à des niveaux d'humidité et de température désirée. Les échantillons sont prélevés périodiquement pour mesurer leur masse et / ou de volume pour une quantité donnée de temps, de quelques semaines à 10,13-17 année. Le test hygrothermique peut être suivie d'essais mécaniques, ce est à dire, la résistance statique résiduelle / fatigue / test de mécanique de fracture 17-19, qui ne donne que des informations sur l'effet de relance hygrothermique sur les réponses mécaniques des matériaux. Les données de test peuvent être montés sur des modèles de diffusion de complexité variable, de la diffusion Fickian simple à des modèles qui incluent la dépendance sur la concentration, le stress, la température, le vieillissement physique réversible / plastification et les réactions chimiques irréversibles. Cette sortie expérimental peut être incorporé dans plus d'analyses structurales.

Peu d'auteurs ont abordé l'impact de hy simultanéegrothermal et stimuli mécaniques. Parmi ceux qui recherchent composites de PRF, Neumann et Garom 20 immergée stressés et non stressés spécimens dans de l'eau distillée. L'accent a été appliquée en positionnant les spécimens à l'intérieur ressorts en acier inoxydable comprimé, réglage de la charge en utilisant différentes raideurs des ressorts et des charges de compression. Une procédure similaire est rapporté par Wan et al. 21. Helbling et Karbhari 22 employés un appareil de flexion dans une chambre environnementale pour différents pourcentages d'humidité relative (HR%) et des niveaux de température. Les échantillons pré-conditionnés ont été soumis à une flexion niveau de contrainte donné, correspondant à un pourcentage de la tension maximale à la traction statique pour que composite. Kasturiarachchi Pritchard et 23 ont préparé un gabarit 4 points de flexion en acier inoxydable (un par échantillon) qui a été placé sur une étagère dans un grand dessicateur en verre. Le dessiccateur a été partiellement rempli d'eau distillée, eu de petites fuites pour empêcher la BUildup de pression, et a été placé dans une chambre humide à 95% d'humidité relative. Gellert et Turley sept enquêtes de qualité marine spécimens FRP composites pour leur durabilité sous chargement de fluage combiné et 100% d'humidité relative. Leurs échantillons ont été chargés en flexion 4 points à une charge constante égale à 20% de l'échec charge statique de flexion, tandis que complètement immergé dans l'eau de mer. La déformation au fluage a été acquis périodiquement en utilisant une jauge d'épaisseur entre la surface extérieure du faisceau dans la section centrale, et une plaque de verre (on en déduit que cette mesure a été effectuée à l'extérieur de la chambre). Abdel-Magid et al. 24 placé des échantillons de verre / époxy dans un environnement Invar appareil qui a été fourni par la NASA Langley, que les échantillons ont été chargés en tension le long de la direction des fibres, à 20% de la charge axiale finale. Ellyin et Rohrbarcher 25 a effectué des essais hygrothermiques jusqu'à 140 jours, puis testé les échantillons de la fatigue sur une machine de test hydraulique. Le spécimens ont été enveloppés dans une toile à fromage humide relié à un tube et un approvisionnement en eau. Earl et al. 26 positionné leur dispositif de chargement et les spécimens dans une grande chambre de l'environnement (5,5 m 3).

Comme indiqué dans de nombreuses études expérimentales, les conditions environnementales affectent les propriétés et les réponses mécaniques des polymères. Certaines expériences limitées montrent également que l'existence d'une contrainte mécanique / allongement influence le processus de diffusion dans les polymères. Ainsi, pour améliorer la compréhension sur la performance globale de matériaux à base de polymères sous les effets mécaniques et non mécaniques, il est nécessaire pour les tests concurrente.

Il y avait plusieurs objectifs derrière la conception de la plate-forme de test discuté dans le présent document. Tout d'abord, la plate-forme fait partie du dispositif expérimental dans une enquête multi-années sur le comportement de hygrothermo-mécanique de différents types de composites FRP sandwich pour une éoliennend applications de l'ingénierie navale. Les données de test sont utilisés pour calibrer les paramètres dans les équations constitutives viscoélastiques pour les composites polymères. Les modèles de comportement sont basées sur le travail développé au fil des ans par Muliana et collaborateurs 27-30. Le deuxième objectif était d'avoir un faible coût et une plateforme de test conviviale, par exemple celle qui pourrait être facilement déplacé dans un laboratoire (par exemple, à une échelle pour les mesures de masse, ou à la source du fluide, par exemple, une entrée d'un robinet, une hotte ou une armoire inflammables). Le troisième objectif était de créer une plate-forme de test qui est résistant à un certain nombre de produits chimiques couramment utilisés en service (en particulier de fluide hydraulique, de dégivrage, de solvants de nettoyage pour des applications aérospatiales 8-10), ainsi spécimens pourraient être immergés dans ces produits chimiques, et leur durabilité pouvait être évaluée.

La chambre (Figure 1) a été construit avec polyethyle haute densiténe, qui a une résistance chimique élevée. Comme mentionné ci-dessus, il est prévu que les travaux futurs comprendra enquête hygrothermo-mécanique de composites immergées dans le liquide hydraulique, de dégivrage, de solvants de nettoyage. Depuis régulation thermique fait partie intégrante des tests, de la mousse de polystyrène expansé a été ajusté sur les côtés de la cuve et maintenu en place par un ruban et le cadre en acier lui-même, d'empêcher l'échange de chaleur avec l'environnement.

Le couvercle de la chambre (figure 2) a été fabriqué à partir de polycarbonate transparent ou 9,525 mm d'épaisseur, permettant aux utilisateurs d'observer les spécimens pendant les essais sans perturber le test. Le couvercle est maintenu en place par des barres en T en aluminium, qui ont été usinées pour glisser sous les supports en surplomb sur les côtés de la cuve.

Flexion dans les échantillons est édicté par trois blocs d'aluminium, qui pendent vers le bas du couvercle, et sont fixés par des fentes dans le couvercle. Les trois blocs permettent jusqu'à quatre specimens à tester en une seule fois, tandis que les fentes du couvercle permettent l'espacement de bloc devant être ajustée en fonction de la longueur des échantillons. Chaque bloc est arrondi au bord de contact pour un diamètre de 12,7 mm, dans le respect de la norme ASTM D790-10 standard. Les échantillons sont placés au-dessous de deux des trois blocs, avec une force vers le haut appliquée en son centre pour provoquer la flexion (figures 1-2).

L'appareil a été conçu avec un maximum de polyvalence et la facilité d'utilisation à l'esprit. Roulettes de diamètre 41,275 mm sont fixés sous la chambre à des fins de mobilité. Au dessus d'eux, le réservoir est supporté par un châssis en acier soudé avec un fond de grillage et des poutres transversales de soutien. Angle actions entretoises pour les coins de réservoir ont été fabriqués en dehors de garder l'isolation d'être écrasé par le poids et de déplacement jauges généraux (appareils chaîne de pot, voir plus loin). Autour du sommet, l'angle actions a été de nouveau utilisé pour le cadrage. Systèmes de poulies et de cordes potentiomètre à mesure mi-portée de déviation sont montés sur quatre acier, arcs carrés tubes (Figure 3). Le centre deux arches sur ces quatre portent les potentiomètres de cordes et sont réglables pour tenir compte de l'échantillon polyvalence. Les potentiomètres de chaîne ont été construits en utilisant un ressort de torsion (comme peut être trouvé dans les longes clés rétractables) et potentiomètres avec des sorties électroniques trois volets. Les poulies sont alignés et montés pour être utilisé avec un câble d'acier en cours d'exécution à partir d'une liaison rigide par l'échantillon à une tige qui pèse sur le côté de la chambre pour l'application de poids réglable.

La charge est appliquée à l'échantillon en utilisant une série de câbles, des poulies, des liens et des boulons. Tout d'abord, l'échantillon est placé dans l'étrier de telle sorte que la barre transversale de 10 mm est en contact avec le milieu de la portée. Une tige d'acier d'un diamètre de 9,525 mm avec des boulons à oeil à chaque extrémité est alors relié à l'étrier. Cette connexion en acier passe à travers le couvercle de la chambre. Un câble d'acier et de Kevlar tHLit sont fixés à la face du piton U-boulon. Cela permet au fil de Kevlar par le potentiomètre de chaîne pour lire les données d'un point rigide. Le câble d'acier continue vers le haut et passe sur deux poulies qui permettent à la charge à appliquer à la périphérie de la cuve. Le câble est ensuite fixé à une tige d'acier d'un diamètre de 9,525 mm qui sert de dispositif de suspension de poids à fente. Ce cintre fournit un endroit où les poids fentes peuvent être fixés de manière à appliquer la charge souhaitée.

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Protocole

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1. Chargement des spécimens

  1. Soulevez le couvercle de la cuve et le reposer sur les supports latéraux (Figure 4).
  2. Placer l'échantillon dans le boulon en U, et se assurer que la barre transversale est en contact au centre du spécimen.
  3. Reposer les extrémités de l'éprouvette sur les supports en aluminium suspendues au couvercle. Les extrémités des échantillons doivent avoir de 5 à 10 mm de surplomb.
  4. Répétez les étapes 1.2 à 1.4 pour tous les échantillons qui seront testés.
  5. Retirer le couvercle soutient, paupière inférieure, et assurez-vous que le couvercle est assis sur le rebord du réservoir.
  6. Appliquer la force souhaitée en ajoutant du poids à la barre d'acier à côté de la poulie extérieure.

2. Déplacement de mesure

  1. Assurez-vous que la ligne chaîne de potentiomètre est tendu.
  2. Avec un multimètre numérique, mesurer la résistance entre les broches externes du potentiomètre (figure 3), avec le noir à la broche 1 et rouge à la broche 3,et enregistrer la lecture.
  3. Convertir la lecture de la résistance en un déplacement lecture en calculant le facteur d'étalonnage (dans ce cas, 1 kQ correspond à un déplacement 64,895 mm).
  4. Répétez les étapes 2.1 à 2.3 pour chaque spécimen.

3. Pesant les spécimens

  1. Avant de commencer la procédure de pesage, enregistrer les données de déplacement et de préparer une chambre de retenue intermédiaire rempli avec le fluide d'essai à la température ambiante, selon la norme ASTM D5229 31, ou la norme d'essai approprié.
  2. Retirer les poids à fente à partir des extrémités des câbles en acier.
  3. Soulevez le couvercle de la cuve et le reposer sur les supports latéraux.
  4. Retirer l'échantillon et le placer dans la chambre de maintien provisoire préparé. Répétez cette étape pour tous les échantillons.
  5. Retirez les spécimens et les sécher individuellement à l'aide d'un chiffon en microfibre afin d'éliminer l'excès de liquide.
  6. Placez l'échantillon sur une échelle de haute précision et enregistrer les données ra lecture.
  7. Répétez les étapes 3.5 à 3.6 pour tous les spécimens et suivez Protocole Étape 1.

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Résultats

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L'appareil de test a tenu avec succès spécimens immergés dans un fluide sous flexion trois points. Avec précisions raisonnables, des échantillons peuvent être chargés et testés avec des lectures précises à partir des potentiomètres de modification de déviation médiane. La variation de la résistance électrique peut être enregistré à quatre chiffres significatifs, ce qui entraîne un déplacement de la résolution de l'ordre de 0,1 um.

Hygrothermo essais mécaniques ont été réalisées à la températ...

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Discussion

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A partir des données acquises, on peut voir que le scénario de test simultané ne affecte pas la durée de vie des cellules fermées éprouvettes de mousse de polyuréthane. Ceci peut être vu en comparant les différents déplacements de manière significative (figure 5) et les charges résiduelles de défaillance (figure 6) des échantillons secs et humides. La figure 7 montre des images des échantillons après les essais de résistance résiduelle. Il convient également d'obser...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Les auteurs remercient destin Garcia, Serena Ferraro, Erik Quiroz et Steven Kern (Advanced Composites recherche, ingénierie et des sciences de laboratoire) pour leur aide dans la conception et la fabrication de la configuration de test. Shawn Malone, Michael Akahori, David Kehlet (Ingénierie Fabrication Lab) sont reconnus pour leurs suggestions et assistance dans le processus d'usinage. Le soutien de la National Science Foundation (subvention de collaboration CMMI-1265691 et son supplément de REU) et l'Office of Naval Research (N00014-13-1-0604 à A. Muliana, Texas & M University (chercheur principal), et V. La Saponara , géré par le directeur du programme Yapa Rajapakse) sont grandement appréciées.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Barres rectangulaires en aluminium 6061McMaster-Carr, États-Unis8975K268, 1668T72, 7062T17,  ;Partie intégrante de la plateforme de test
Aluminium 6061 90° ; anglesMcMaster-Carr, USA8982K91, 8982K14  ;Partie intégrante de la plateforme de test
Acier inoxydable 440CMcMaster-Carr, États-Unis6253K52Partie de la plate-forme d’essai Feuilles de
polyéthylène haute densitéTap Plastics, États-UnisN/A (0,236 po d’épaisseur x 10,75 po de largeur x 16,75 po de longueur)Fait partie de la plate-forme d’essai
Feuilles de polyéthylène haute densitéTap Plastics, États-Unisn/a (0,354 po d’épaisseur x 6 po de largeur x 10 po de longueur)Fait partie de la plateforme d’essai
Feuilles de polyéthylène haute densitéTap Plastics, États-UnisN/A (0,354 po d’épaisseur x 6 po de largeur x 16,75 po de longueur)Partie de la plate-forme d’essai Feuilles de
polycarbonateTap Plastics, États-UnisN/A (0,375 po d’épaisseur, 11,5 po de largeur, 17,5 po de longueur)Partie de la plateforme d’essai Mousse de
polystyrène expanséHome DepotModèle # 310880 Internet # 202532855Partie de la plate-forme d’essai Câble d’acier
galvaniséMcMaster-Carr, USA3498T63Partie de la plate-forme d’essai
Boulon à œil en acierMcMaster-Carr, USA3013T341Partie de la plate-forme d’essai
Acier à faible teneur en carbone 90° d’angleMcMaster-Carr, USA9017K444² ;Partie intégrante de la plateforme de test
Tiges d’acier à faible teneur en carboneMcMaster-Carr, États-Unis8920K84, 8920K75, 8920K231, 8920K135, 8920K84 ;   ;   ;Partie intégrante de la plateforme de test
Tubes en acier à faible teneur en carboneMcMaster-Carr, États-Unis6527K314, 8910K394, 8910K395, 8920K94 ;   ;Partie intégrante de la plateforme de test
Boulon en U en acier inoxydable 304McMaster-Carr, États-Unis8896T104Partie de la plate-forme d’essai
Poulie en acierMcMaster-Carr, États-Unis3099T34Partie de la plate-forme d’essai
1008 tôles d’acier au carboneMcMaster-Carr, États-Unis9302T113Fait partie de la plate-forme d’essai
Roulettes pivotantes légèresHarbor Freight, États-Unis41519Élément de la plate-forme d’essai
100- lbf Vinyle Poids SetOverstock.com11767059Partie de la plate-forme d’essai
Mousse de polyuréthane à cellules ferméesGeneral Plastics, USAFR-3704Échantillons d’essai
d’eau déminéralisée, système de filtrage PurLabN/AFluide de conditionnement du réservoir
Ressort de torsionClip à clé rétractable, Ebay, USALot 10 Utilisépour construire un potentiomètre
Fil de KevlarCabela' sIK-321909Utilisé pour construire un potentiomètre à cordes
Potentiomètre 10 kOhmEbay, USA3590S-2-103LUtilisé pour construire un potentiomètre à cordes
Multimètre numériqueHarbor Freight, USA98674Utilisé pour prendre des mesures de résistance de potentiomètre à cordes
Robinetà cordes

Références

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Mots-clés

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