בדיקת פלטפורמה לעמידות ללימודים של פולימרים ומחוזקים בסיבים פולימריים מרוכבים תחת גירויים במקביל Hygrothermo-מכאניים

פולימרים ופולימר מחוזקים בסיבים מרוכבים (FRP) אומצו במגוון רחב של מבנים הנדסיים, החל ממטוסים וחלליים, כלי שיט, תשתיות אזרחיות, (ראה לביקורות דוגמאות של et al. ^{1, 2} Hollaway, אל Mouritz et Katnam . ^3), מכוניות ורכבות, להבי טורבינות רוח, לתותבות וביו-חומרים לתפרים ושתלים. העמידות "חומרים אלה מושפעת מתרחישים מורכבים שירות, אשר עשוי לכלול שילוב של) טעינה תרמו-מכאני, למשל, להקפיא ההפשרה מחזורים בתשתיות האזרחיות ^4, טיסה תת-קולית / קולית פרופילי ^5, ללבוש בפוליאתילן מגובי מתכת ⁶⁾ ; ב) השפלה בשל חומרים כימיים סביבתיים ו, למשל, מי ים, הפשרת קרח, נוזל הידראולי למבנים וחלל ימיים ^7-10, השפלה של חומרים מרוכבים שיניים polymethylmethacrylate בשל רוק ^11; ג) inte המורכבractions של חומרים במפרקים מהודקים או ערובה, למשל, גלווני קורוזיה וdebonding בין חומרים שונים, בין אם בתיקון תיקון פחמן / סיבים בעור אלומיניום מטוסים, או צלחת עצם פחמן / הצצה מהודקת על ידי נירוסטה ^12.

למרבה הצער יש מוגבל בידע של ההשפעה של גירויים בשירות בו-זמנית על העמידות לטווח הארוך של חומרים אלה. רוב הפולימרים עשויים להיות מסווגים כחומר viscoelastic. עומסים מכאניים ותנאים סביבתיים משפיעים באופן משמעותי את תגובת viscoelastic של פולימרים. לפיכך, מודלים אמין עבור 'חומרים אלה התנהגות לטווח ארוך צריכים להיות מסוגלים לשלב תגובות תלויות זמן לhygrothermal שילוב, גירויים מכאניים, כימיים. זה בתורו ישפר את תחזיות עיצוב, בטיחות ופרוטוקולי תחזוקה / החלפה מבוססת מצב.

ישנו גוף ספרות גדול על בדיקות ניסיוניות על השפעות hygrothermal, לבדיקות דיפוזיה הדוגמא hygrothermal: אם בקנה מידה של הדגימות מאפשרת לה, דגימות חומר עשויות להיות ממוקמות בתא ברמות לחות והטמפרטורה רצויה. הדגימות יוסרו מעת לעת כדי למדוד המסה ו / או נפח שינוייהם לכמות נתונה של זמן, משבועות לשנים ^10,13-17. מבחן hygrothermal יכול להיות מלווה בדיקות מכאניות, כלומר, כוח סטטי / עייפות שייר / בדיקות מכניקת שבר ^17-19, שרק נותנת מידע על ההשפעה של גירוי hygrothermal על התגובות מכאניות של חומרים. נתוני בדיקה עשויים להיות מצוידים לדגמי דיפוזיה של משתנה מורכבות, מדיפוזיה Fickian פשוטה על דגמים הכוללים תלות בריכוז, מתח, טמפרטורה, הזדקנות / Plasticization הפיסית הפיכה ותגובות כימיות בלתי הפיכות. תפוקה ניסיונית זה עשויה להיות משולב נוסף בניתוחים מבניים.

מחברים מעטים התייחסו להשפעה של HY בו זמניתgrothermal וגירויים מכאניים. בין חומרים מרוכבים FRP מחקר אלה, נוימן וGarom ²⁰ שקועים הדגישו ודגימות unstressed במים מזוקקים. מתח יושם על ידי מיקום הדגימות בתוך מעיינות נירוסטה דחוסות, כוונון העומס באמצעות stiffnesses האביב שונה והמון דחיסה. הליך דומה שדווח על ידי et al וואן. ^21. Helbling ו ^-22 Karbhari מועסק מתקן כיפוף בתוך תא סביבתי לאחוזים שונים לחות היחסית (% לחות יחסית) ורמות הטמפרטורה. הדגימות הממוזגות מראש היו נתונים לרמת מתח כיפוף נתון, המקביל לשיעור של זן המתיחה האולטימטיבי סטטי לרוכב ה. Kasturiarachchi ופריצ'רד ²³ מוכן לנענע נירוסטה 4 נקודות כיפוף (אחד לכל דגימה) שהוצב על מדף בתא ייבוש זכוכית גדול. הייבוש היה מלא באופן חלקי עם מים מזוקקים, היו דליפות קטנות כדי למנוע buildup של לחץ, והושם בתא לחות על 95% לחות יחסית. גלרט ו ^-7 טורלי חקרו דגימות מרוכבים FRP כיתה ימית לעמידות שלהם תחת העמסת זחילה משולבת ו -100% לחות יחסית. הדגימות שלהם הועמסו בכיפוף 4 נקודות בעומס קבוע השווה ל- 20% מכישלון העומס כפף סטטי, ואילו שקועים לחלוטין במי ים. סטיית השרץ נרכשה מעת לעת על ידי שימוש במד עובי בין פני השטח החיצוני של הקורה בחתך המרכזי, וצלחת זכוכית (הוא הסיק שמדידה זו בוצעה מחוץ לחדר). עבד אל-מגיד et al. ²⁴ להציב דוגמאות של הזכוכית / אפוקסי במתקן סביבתי Invar שסופק על ידי נאס"א לנגלי, כדגימות הועמסו במתח לאורך כיוון הסיבים, ב 20% מהעומס הצירי האולטימטיבי. Ellyin וRohrbarcher ²⁵ רצו בדיקות hygrothermal לעד 140 ימים, ולאחר מכן בדקו את הדגימות בעייפות על מכונת בדיקה הידראולית. הדגימהים היו עטוף בבד גבינה רטובה מחוברים לצינור ואספקת מים. ארל et al. ²⁶ מיקום מתקן טעינתם והדגימות בתא גדול סביבתי (5.5 מ ^'3).

כפי שנאמר ברבים מחקרי ניסויים, התנאים הסביבתיים משפיעים על תכונות מכאניות של הפולימרים ותגובות. כמה ניסויים מוגבלים גם להראות כי קיומו של מתח / לחץ מכאני משפיע על תהליך דיפוזיה בפולימרים. לפיכך, כדי לשפר את ההבנה על הביצועים הכוללים של חומרים מבוססים-פולימר תחת השפעת שני מכאנית ולא מכאנית, יש צורך בבדיקה בו-זמנית.

היו כמה מטרות מאחורי העיצוב של פלטפורמת הבדיקות שנדונה במאמר זה. ראשית, הפלטפורמה היא חלק מהגדרת הניסוי בחקירה רב-שנתית על hygrothermo-מכאני התנהגות סוגים שונים של חומרים מרוכבים כריך FRP של לטורבינת רוחיישומי הנדסה ימיים nd. נתוני הבדיקה משמשים לכיול הפרמטרים במשוואות המכוננות viscoelastic לרוכבי פולימרים. המודלים המכוננים מבוססים על העבודה שפותחה במשך השנים על ידי Muliana ומשתפי פעולה ^27-30. המטרה השנייה הייתה לי בעלות נמוכה ופלטפורמת בדיקות ידידותית למשתמש, למשל אחד שיכול להיות בקלות עברה במעבדה (למשל, לקנה מידה למדידת מסה, או למקור של הנוזל, למשל, אחד הקרובה מברז, fumehood או קבינט דליק). המטרה השלישית הייתה ליצור פלטפורמה לבדיקה כי הוא עמיד למספר הכימיקלים הנפוץ בשירות (במיוחד נוזל הידראולי, הפשרת הקרח, בחומרי ניקוי ממסים עבור יישומי התעופה ^8-10), ובכך דגימות יכולות להיות שקועה בכימיקלים כגון, ו העמידות שלהם יכולה להיות מוערכת.

התא (איור 1) נבנה עם polyethyle בצפיפות גבוההne, שבו יש עמידות כימית גבוהה. כפי שצוין לעיל, צפוי כי עבודה בעתיד תכלול חקירת hygrothermo-המכני של חומרים מרוכבים שקועים בנוזל הידראולי, נגד התקרחות, בחומרי ניקוי ממסים. מאז רגולציה תרמית היא היבט בלתי נפרד מבדיקה, קצף פוליסטירן היה להתאים סביב דפנות המכל ומאובטח במקום על ידי קלטת ומסגרת הפלדה עצמו, כדי למנוע החלפת חום עם הסביבה.

המכסה של התא (איור 2) יוצרה מפוליקרבונט השקוף, 9.525 מ"מ בעובי, המאפשרת למשתמשים לצפות בדגימות במהלך בדיקה מבלי להפריע המבחן. המכסה מאובטח במקום על ידי T-ברים אלומיניום, שהיו במכונה כדי להחליק מתחת תלויים בסוגריים על דפנות המכל.

כיפוף בדגימות נחקק על ידי שלושה בלוקים אלומיניום, אשר תולים למטה מהמכסה, ומהודקים באמצעות חריצים במכסה. שלושה בלוקים מאפשרים עד ארבע specimens להיבדק בפעם אחת, ואילו חריצי המכסה לאפשר מרווח הבלוק להיות מותאם בהתאם לאורכו של הדגימות. כל בלוק מעוגל בקצה המגעים לקוטר 12.7 מ"מ, בדבקות בD790-10 תקן ASTM. הדגימות ממוקמות מתחת שתיים משלושת בלוקים, עם כוח כלפי מעלה מיושם במרכזו כדי לגרום לכיפוף (איורים 1-2).

המנגנון נועד עם מקסימום צדדיות וקלות של שימוש בחשבון. גלגלים עם 41.275 מ"מ קוטר מהודקים מתחת לתא למטרות ניידות. מעליהם, הטנק נתמך על ידי מסגרת פלדה מרותכת עם תחתית רשת תיל וקורות צולבות לתמיכה. מפרידי מניית זווית לטנק הפינות מחוץ יוצרו כדי לשמור על הבידוד מלהימחץ על ידי מודד המשקל ועקירה מעל (מנגנון סיר מחרוזת, נדונו בהמשך). סביב החלק העליון, מניית הזווית שימשה שוב למסגור. מערכות גלגלת ופוטנציומטר מחרוזת measuמחדש סטיית אמצע טווח-הם רכובים על ארבע פלדה, קשתות מרובעות צינורות (איור 3). מרכז שתי קשתות מתוך ארבעה אלה נושאים את פוטנציומטר המחרוזת וניתנות להתאמה לחשבון צדדיות דגימה. פוטנציומטר המחרוזת נבנה באמצעות קפיץ torsional (ניתן למצוא כמו בשרוכים נשלפים מפתח) ופוטנציומטרים עם פלטים אלקטרוניים שלושת פינים. הגלגלות מיושרות ורכובות לשימוש עם כבל פלדה פועל מחיבור נוקשה על ידי הדגימה למוט תלייה על הצד של החדר ליישום משקל להתאמה.

העומס מוחל על הדגימה באמצעות סדרה של כבלים, גלגלות, קשרים וברגים. ראשית, הדגימה מועבר לU-הבורג כך שבר הצלב 10 מ"מ הפנייה אמצע הטווח. מוט פלדה בקוטר 9.525 מ"מ עם ברגי עין בכל קצה לאחר מכן מחובר לU-הבריח. חיבור פלדה זה עובר דרך את המכסה של התא. כבל פלדה ולא Kevlarhread מחובר ללולאה בהפך U-הבריח. הדבר זה מאפשר לחוט Kevlar מפוטנציומטר המחרוזת לקרוא את הנתונים מנקודה נוקשה. כבל הפלדה ממשיך כלפי מעלה ועובר מעל שתי גלגלות המאפשרות את העומס שיש להחיל בפריפריה של הטנק. הכבל מחובר אז מוט פלדה בקוטר 9.525 מ"מ המשמש כקולב משקל מחוררת. קולב זה מספק מקום שבו ניתן להגדיר את המשקולות מחוררות כדי להחיל את העומס הרצוי.

1. טעינת דוגמאות

1. הרם את המכסה של הטנק ולתת לו לנוח על צד תומך (איור 4).
2. מניחים את הדגימה בU-הבריח, ולהבטיח שבר צלב יצירת קשר במרכז של הדגימה.
3. לנוח הקצוות של הדגימה על תומך האלומיניום התלוי מהמכסה. הקצוות של הדגימות צריכים להיות 5-10 מ"מ של הסככה.
4. חזור על שלבים 1.2-1.4 לכל הדגימות שתיבדקנה.
5. הסר את המכסה תומך, עפעף תחתון, ולוודא כי המכסה יושב על שפת הטנק.
6. החל הכוח הרצוי על ידי הוספת משקולות למוט הפלדה בסמוך לגלגלת החיצונית.

2. עקירת מדידה

1. ודא כי קו פוטנציומטר המחרוזת מתוח.
2. באמצעות מודד דיגיטלי, למדוד את ההתנגדות על פני הסיכות החיצוניות של פוטנציומטר (איור 3), עם שחור לסיכה 1 ואדום לפין 3,ולהקליט את הקריאה.
3. להמיר את התנגדות קריאה לעקירת קריאה על ידי חישוב גורם הכיול (במקרה זה, 1 ק"ג-אוהם מתאים לעקירת 64.895 מ"מ).
4. חזור על שלבים 2.1-2.3 לכל דגימה.

3. משקל דוגמאות

1. לפני תחילת ההליך במשקל, להקליט נתונים העקירה ולהכין חדר החזקת ביניים מלאים בנוזל הבדיקה ב RT, לפי D5229 ASTM ^31, או סטנדרטי בדיקות המתאימות.
2. הסר את המשקולות מחוררות מקצות כבלי הפלדה.
3. הרם את המכסה של הטנק ולתת לו לנוח על צד תומך.
4. הסר את הדגימה ולמקם אותו לתוך תא מעצר ביניים מוכן. חזור על שלב זה עבור כל הדגימות.
5. הסר את הדגימות ולייבש אותם בנפרד, בעזרת מטלית מיקרופייבר כדי להסיר את הנוזלים עודפים.
6. מניחים את הדגימה בקנה מידת דיוק גבוה ולהקליט r נתוניםeading.
7. חזור על שלבים 3.5-3.6 לכל הדגימות ולאחר מכן בצעתי צעד פרוטוקול 1.

מנגנון הבדיקה קיימה בהצלחה דגימות שקועה בנוזל מתחת לכיפוף שלוש נקודות. שלהם בדיוק סבירים, ניתן לטעון דגימות ונבדקו עם קריאות מדויקות מפוטנציומטר לשינויי סטיית נקודת אמצע. השינוי בהתנגדות חשמלית ניתן להקליט עד 4 דמויות משמעותיות, וכתוצאה מכך החלטת עקירה של הצו של 0.1 מיקרומטר.

בדיקות Hygrothermo-מכאניות נערכו ב RT על שתי קבוצות של ארבע דגימות של קצף פוליאוריטן תאים סגורים, עם ממדים נומינליים עובי רוחב x 18 מ"מ x 24 מ"מ אורך מ"מ 215. קבוצה אחת נבדקה בתא בתנאים יבשים, נועד לשמש כ) באוויר, בתוך הטנק, וב) בלחות היחסית של הסביבה ~ 50% לחות יחסית (המבחן נערך בסוף יוני במעבדה ממוקמת בחם ויבשה צפון קליפורניה עמק מרכזי, בארה"ב). קבוצה ראשונה זה של דגימות מצויינים בהסכם כ'דגימות יבשות '. הקבוצה השנייה שלדגימות נבדקו בטנק בעת שקועה לחלוטין במים ללא יונים (100% לחות יחסית, מצויינים בהסכם כ'דגימות רטובות "). הדגימות היו עמוסות בתליית משקולות שווה בערך 50% מהעומס האולטימטיבי שלהם בתנאים יבשים סטטי, וכתוצאה מכך קילוגרם (1.780 ± .116). היישום של כל משקל תלוי לקח כמה שניות, כדי להשיג תנאי טעינה מעין-סטטי. זה היה צפוי כי הקצף היה התנהגות viscoelastic קוי, אבל זה לא היה ידוע מראש איך הגירויים בו זמנית היו מקטינים את עמידות הקצף ביחס לדגימות יבשות.

מדידות התנגדות על מודד הדיגיטלי נלקחו מכל דגימה, בכ -15 דקות במרווחים של 6 שעות הראשונות של בדיקה. מדידות נלקחו שוב לאחר 18 שעות נוספות. מזה, השינוי בסטיית אמצע טווח-היה במעקב. בהתבסס על נתונים שנאספו, העקירה לאחר 24 שעות לדגימות יבשות הייתה (2.141 ± .371) מ"מ,תוך העקירה לדגימות הרטובות הייתה גבוהה יותר באופן משמעותי, ושווה למ"מ (14.41 ± 3.62) (איור 5, לוח 1).

לאחר כל ריצת משפט, הדגימות היו אז נבחנו בכוח שייר על ידי טעינתם עד כישלון. הדגימות הרטובות נמצאו לי שייר עומס כישלון שווה לק"ג (2.970 ± 0.246), בהשוואה לעומס שיורי כישלון (3.623 ± .0967) קילוגרם לדגימות יבשות, (איור 6, טבלת 2). הרזולוציה למדידות עומס כישלון השייר הייתה ± .194 קילוגרם.

איור 1. סקירה כללית של מרכיבים העיקריים של מנגנון בדיקה. א טנק פוליאתילן בצפיפות גבוהה. B. מורחב בידוד קצף פוליסטירן. ג מחורץ מכסה פוליקרבונט. ד אלומיניום בר T וסוגר הסככה. א 'שלוש נקודות כיפוף supports. מסגרת תחתונה פ. מפרידי ג 'זווית. מסגרת H. למעלה. מכלולי פוטנציומטר I. מחרוזת. J. תחתון הרכבה טעינה. משקולות ק מחוררות וקולב. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2. תצוגה מפורטת של מיכסה. טנק פוליאתילן בצפיפות גבוהה א. ג מכסה פוליקרבונט מחוררת. ד אלומיניום T-bar וסוגר הסככה. א 'שלוש נקודות תומך כיפוף. הרכבה טעינת J. התחתונה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3. ההרכבה פוטנציומטר המחרוזת של מנגנון הבדיקה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4. מכסה תומך במנגנון הבדיקה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5. וריאציה עקירת אמצע טווח עם זמן, לדגימות יבשות ורטובות. Pleasדואר לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6. מגרשי Box של עומסי שייר לכישלון, לדגימות יבשות ורטובות, המראים את הפגיעות גדולות יותר של הדגימות הרטובות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7. תמונות של דגימות קצף לאחר בדיקות חוזק כיפוף השייר: (א) ו- (ב) דגימות יבשות, (ג) ודגימות רטובות (D). רוחב הדגימה הנומינלית הוא24 מ"מ. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

טבלה 1. עקירה לעומת הזמן של דגימות קצף בלחות יחסי הסביבה (דגימות יבשות).

שולחן עקירה 2. לעומת הזמן של דגימות קצף ב 100% לחות יחסית (דגימות רטובות).

למחברים אין מה לחשוף.