7.12: חומרים מרוכבים מטריקס קרמיקה ומאפייני הכיפוף שלהם

1. הכנת דגימת טיח אחת רגילה

1. קבל תבנית גומי כחולה מהמדריך. כל תבנית יכולה לעשות 3 דוגמאות בצורת מוט, הגודל של כל פס הוא בערך 26 מ"מ ברוחב, 43 מ"מ אורך, ו 10 מ"מ בעובי.
2. שוקלים 40 גרם אבקת גבס יבשה לכוס נייר. מוסיפים לאט 20 מ"ל של מים דהויוניים, ומערבבים את העכוז עם מקל עץ, עד שעקביות חלקה מושגת. המשך מיד לשלב 3! הטיח מתחיל להתקשות בעוד ~ 5 דקות.
3. יוצקים את העגמומים המתקבלים לאחד התאים של התבנית. ממלאים את התבנית לחלוטין, ומחליקים אותה במקל העץ. לזרוק את הכוס וכל טיח עודף; שמור את המקל לשימוש עתידי.

2. ביצוע שתי דוגמאות מורכבות

1. הכן את המדגם שנעשה עם חיזוק סיבים קצוצים:
   a.) שוקלים 4 גרם של סיבי זכוכית קצוצים לכוס נייר.
   b.) שוקלים 40 גרם אבקת גבס לאותה.
   ג. ) מוסיפים לאט 20 מ"ל של מים דהיוניים, ומערבבים את העכוז עם מקל העץ, עד שהסיבים מעורבבים היטב, ומושגת עקביות חלקה.
   ד. יוצקים את התסיסה לאחד מתאי התבנית. ממלאים את התבנית לחלוטין, ומחליקים אותה במקל העץ.
2. הכן את המדגם שנעשה עם קלטת פיברגלס:
   a.) חותכים 2 רצועות של סרט פיברגלס, באורך של כ-15 ס"מ. תשקול את הרצועות.
   b.) שוקלים 40 גרם אבקת גבס יבשה לכוס נייר. לאט להוסיף 20 מ"ל של מים deionized, ומערבבים את תרחיף עד עקביות חלקה מושגת.
   ג. יוצקים כשליש מהטיח לתוך התבנית. מניחים רצועה אחת של סרט פיברגלס על גבי הטיח, ולוחצים אותה למטה עם מקל העץ. ודא כי טיח ביסודיות מנגח את קלטת פיברגלס.
   ד. יוצקים כמחצית מהטיח הנותר על גבי סרט הפיברגלס. מניחים את הרצועה השנייה של הסרט על גבי הטיח, ותלחצו עליה עם מקל העץ.
   e.) יוצקים את שאר הטיח על גבי הרצועה השנייה, ותלחצו עליו עם מקל העץ. ודא כי טיח ביסודיות להקפיד את קלטת פיברגלס, ולסחוט את כל בועות אוויר.

3. ביצוע ניסויים

1. מדוד את האורך, העובי והרוחב הממוצעים של כל עמודה Measure L (אורך טווח באיור שלהלן) בגוף הבדיקה בן 3 הנקודות, השתמש בכיול מכויל למדידה.
2. השתמש במהירות תזוזה של 5 מ"מ / דקה עבור כל הבדיקות. (אז צריך לאפס וליזום את ה-UTM במהירות תזוזה של 5 מ"מ/דקה). עבור טיח רגיל ודגימת סיבים קצוצים, להפעיל את הבדיקה עד המדגם נכשל. עבור דגימת סרט פיברגלס, להפעיל את הבדיקה עד הסטה היא 6 מ"מ.
3. השתמש בתוכנית LabVIEW במחשב כדי לאסוף את הנתונים מכל בדיקה לקובץ טקסט.

4. תכנית מתל"ב

1. צור תוכנית MATLAB שתעשה את הפעולות הבאות:
2. קרא קובץ טקסט של עמודה בודדת והפרד את הקריאות לנתוני כוח והסטה. המר את הנתונים הגולמיים לכוח ולהסטה באמצעות גורמי ההמרה הבאים:
   כוח = (ערך מרבי של תא עומס / 30000) * מספר שנוצר על-ידי UTM (2)
   הסטה = 0.001mm * מספר שנוצר על-ידי UTM (3)
3. חשב את הכוח הפלקסורלי ואת המתח הפלקסורלי של כל מדגם:
   חוזק פלקסורל σ_f = (3FL)/(2wt²) (4)
   זן פלקסורל ε_f = (6Dt)/(L²) (5)
4. התווה עקומת מתח-מתח עבור כל מדגם. תן ε_f להיות הציר האופקי σ_f להיות הציר האנכי.
5. מצא את ערכי σ_{ε f} המרביים עבור כל דגימה. עבור הדוגמאות המורכבות, בחר את ערך ε_f המתאים לערך σ_f המרבי.
6. מצא את מודולוס_E flexural על ידי חישוב השיפוע של העקומה באזור האלסטי.
7. מצא את האזור תחת כל עקומת מתח מתח.

5. ניתוח נתונים

1. השוואה של כוח flexural ומודולוס של דגימות מרוכבים לזה של מדגם טיח רגיל
   מאז UTM יוצר קובץ טקסט עמודה אחת, הן עבור כוח הסטה, ממשק MATLAB צריך למיין את הערכים המתאימים לתוך מערכים שונים. לכן, כדי לקבוע הן את הכוח והן את הסטה הדרושים למשוואות 4 ו -5, משוואות 2 ו -3 צריך להיות מיושם לתוך MATLAB.
   באמצעות תא עומס מרבי של 1000, הקביעה של כוח גמישות ומתח היא השילוב של כל המשוואות. מאז MATLAB גם מייצר את עקומת מתח-זן של כל מדגם, מודולוס flexural היה התגלה על ידי חישוב השיפוע של האזור האלסטי. באמצעות משוואה 6, מודולוס flexural יחושב ביחס לשתי הנקודות שנבחרו על התוויית מתח-מתח:
   (6)
   בחינת נתונים מדגמיים, נראה כי ככל שיתווספו צורות שונות של חיזוק, כוחן של הדגימות יגדל, עם סרט פיברגלס המספק את הכוח הנוסף הגדול ביותר. במונחים של משיכות, (אשר יכול להיחשב "הכי מעוות פלסטי") קלטת פיברגלס מחוזק הדגימה יהיה הגדול ביותר גם כן.
   כמו כן, אורך סיבים וכיוון משפיעים באופן דרסטי על המאפיינים של דגימות מרוכבים. לדוגמה, חיזוק מרבי יכול להיות מושגת רק כאשר סרט פיברגלס מוגדר במקביל למשטחים של הדגימה. בעשותו כן, אוריינטציה מרחבית זו מאפשרת לקלטת הפיברגלס לעמוד בכוחות נוספים כאשר מטריצת הגבס נכשלת. בנוסף, ניתן גם להסיק כי רצועות ארוכות יותר של סרט פיברגלס יוכיחו לספק יותר כוח מאשר רצועות קצרות יותר. חלקים ארוכים יותר יאפשרו אחיזה מקסימלית בתנאים של מבחן כיפוף של 3 נקודות, שכן יש יותר טיח סביב חיזוק פיברגלס.
2. ספיגת אנרגיה במהלך בדיקת אג"ח
   האזור שמתחת לעקומת המתח מייצג את האנרגיה שחומר סופג לפני הכישלון. על פי התוצאות שנשיג, יוצגו כי הדגימה מחוזקת פיברגלס סופגת את כמות האנרגיה הגדולה ביותר. בנוסף, מאז קשיחות תואמת את היכולת של חומר לספוג אנרגיה מעוות פלסטי ללא שבירה מדגם פיברגלס הוכיח להיות רקיע ביותר על ידי ספיגת הכמות הגדולה ביותר של אנרגיה; דגימת הפיברגלס היא מטבעה הקשה ביותר מבין השלושה. לפיכך, קשיחות היא האיזון בין כוח וצינוריות, ואת מדגם פיברגלס היה האזור הגדול ביותר מתחת עקומת הלחץ שלה.
3. חישוב החוזק התיאורטי של סיבים קצוצים וקלטת פיברגלס מרוכבים באמצעות הנוסחה "כלל התערובות" (מאפייני החומר הרלוונטיים מפורטים בטבלה 1).
   ניתן לחשב את הכוח התיאורטי של המרוכבים באמצעות משוואה 1, שם:
   V_F = שבר נפח של סיבים = (נפח סיבים)/(נפח כולל של המדגם)
   נפח הסיבים = (מסה של סיבים)/(צפיפות סיבים)
   שבר נפח של טיח = V_P = 1- V_F .

טבלה 1. תכונות חומר.

מרוכב הוא חומר שנוצר על ידי שילוב של מטריצה וחומר חיזוק אחד או יותר. חוזק הכיפוף הכולל של מרוכב תלוי בתכונות החומרים מהם הוא מורכב. קרמיקה היא חומר קשיח בעל תכונות דחיסה חזקות, אך חומר זה גם שביר מאוד. על ידי ערבוב סיבי זכוכית או פולימר, הוא הופך לחומר רקיע יותר.

לדוגמא, בחומרים מרוכבים של עצם מלאכותית, הקרמיקה מספקת את חוזק הדחיסה הנדרש ואילו סיבי הפולימר מוסיפים לה את חוזק המתיחה והכיפוף. על ידי שילוב חומרים קרמיים ופולימריים בכמויות שונות, ניתן ליצור חומרים ייחודיים המותאמים ליישום ספציפי.

סרטון זה ימחיש כיצד להכין שלושה חומרים מרוכבים מטריצת קרמיקה עם טיח של פריז ולקבוע לאיזה תכשיר יש את תכונות הכיפוף החזקות ביותר. חוזק הכיפוף של דגימות אלו יימדד באמצעות מבחן כיפוף שלוש נקודות.

הבה נסתכל מקרוב על מבחן כיפוף שלוש הנקודות. בשיטה זו מדגם בצורת מוט מותקן לאורכו על שני פינים מקבילים. ההרכבה צריכה להיות כזו שתאפשר לחומר להימתח כמו גם להתכופף בכוח חיצוני.

בבדיקה זו מופעל כוח חיצוני בניצב לדגימה באמצע. כתוצאה מכך הוא עובר כוח דחיסה בצד בו מופעל עומס חיצוני וכוח מתיחה בצד הנגדי בו הוא נמתח. השילוב של שני הכוחות הללו יוצר גם אזור של מתח מוחלט לאורך קו האמצע.

שלושת הכוחות הללו יחד מחליטים על חוזק הכיפוף או הכיפוף של דגימה נתונה. עם עלייה בכוח החיצוני, כמות הכיפוף או הסטייה של חומר גדלה גם עד שהחומר נכשל. ניתן לחשב את מתח הכיפוף על חומר באמצעות הסטיה, אורך הטווח והעובי של הדגימה. ניתן לחשב את מתח הכיפוף של החומר מהכוח המופעל, אורך הטווח, הרוחב והעובי של הדגימה.

מבחן הכיפוף התלת-נקודתי נותן עקומת מתח ומתח כיפוף של חומר. שיפוע העקומה באזור האלסטי מייצג את מודול הכיפוף של הדגימה ומודד כמה ניתן לכופף חומר נתון. השטח שמתחת לעקומת המתח-מתח מייצג את כמות האנרגיה שנספגה על ידי חומר לפני כישלון, ומכאן שהוא מדד לקשיחות החומר.

תיאורטית, ניתן לחשב את חוזק הכיפוף המרבי של מרוכב עם כלל התערובות תוך שימוש בחוזק הכיפוף המרבי של המטריצה וחומרי החיזוק שלו תחת שברי נפח.

כעת, לאחר שהבנתם כיצד פועלת שיטת הכיפוף התלת-נקודתית וכיצד למדוד את תכונות הכיפוף של החומר, בואו ניצור שלושה חומרים מרוכבים מבוססי קרמיקה ונגלה למי מהם יש את חוזק הכיפוף הגבוה ביותר.

ראשית בואו נכין שלוש דוגמאות של חומרים מרוכבים מטריצת קרמיקה. כדי להתחיל, קבל תבנית גומי כחולה שיכולה ליצור שלוש דוגמאות בצורת מוט. אנו נכין את הדגימה הראשונה שלך מהטיח הרגיל. ראשית, שקלו 40 גרם אבקת טיח יבשה לכוס פלסטיק ואז הוסיפו לאט לאט 20 מיליליטר מים נטולי יונים וערבבו בעזרת מקל עד להשגת עקביות חלקה. המשך מיד לשלב הבא מכיוון שהטיח מתחיל להתקשות תוך כחמש דקות. לאחר מכן, שפכו את השפלה המתקבלת באחד מתאי התבנית. ממלאים את התבנית לגמרי ומחליקים אותה בעזרת המקל. לבסוף, זרוק את הכוס ואת כל הטיח העודף. אנא שמור את המקל לשימוש עתידי.

תכין את הדגימה המרוכבת השנייה שלך באמצעות אבקת הגבס וסיבי הזכוכית הקצוצים. לשם כך, שקלו תחילה ארבעה גרם סיבי זכוכית קצוצים לכוס פלסטיק. לאחר מכן, שקלו 40 גרם אבקת גבס לאותה כוס ואז הוסיפו לאט לאט 20 מיליליטר מים נטולי יונים. המשיכו לערבב את התרחיץ עם המקל עד שהסיבים מעורבבים היטב ומושגת עקביות חלקה. יוצקים את התרחיץ לתבנית השנייה כמתואר לדוגמא אחת.

תכין את הדגימה המרוכבת האחרונה באמצעות אבקת הגבס הרגילה וסרט הסיבי זכוכית. לשם כך, תחילה חותכים שתי רצועות של סרט סיבי זכוכית באורך של כחמישה סנטימטרים ושוקלים אותן. שנית, הכינו slurry עם אבקת גבס רגילה כפי שעשיתם עבור הדגימה הראשונה.

לאחר מכן, שפכו כ- 1/3 מהטיח לתבנית. הניחו רצועה אחת של סרט סיבי זכוכית על גבי הטיח ולחצו כלפי מטה בעזרת מקל. ודא תמיד שהטיח מרטיב היטב את הפיברגלס ואז שפך כ-1/2 מהטיח שנותר על גבי סרט הפיברגלס.

לאחר מכן, הניחו את רצועת הסרט השנייה על גבי הטיח ולחצו אותה כלפי מטה בעזרת מקל. יוצקים את שאר הטיח על גבי הרצועה השנייה ולוחצים אותו כלפי מטה בעזרת המקל.

מדוד את האורך, הרוחב והגובה הממוצעים של כל מוט. מדוד את אורך הטווח של הדגימה על מתקן בדיקה בעל שלוש נקודות באמצעות קליברים מכוילים. הגדר את מכשיר ה-UTM לאפס והתחל מהירות תזוזה נוספת של חמישה מילימטרים לדקה.

עבור דגימות הטיח הרגיל וסיבי הזכוכית הקצוצים, הפעל את הבדיקה עד שהדגימות נכשלות. עבור סרט סיבי זכוכית מרוכב, הפעל את הבדיקה עד שהסטייה היא שישה מילימטרים. השתמש בתוכנית תצוגת המעבדה במחשב שלך כדי לאסוף את הנתונים מכל בדיקה לקובץ טקסט.

UTM יוצר קובץ טקסט של עמודה אחת הן לכוח והן להטיה. ממשק תצוגת המעבדה ממיין את הקריאות המתאימות לשני מערכים שונים. כעת, המר את הנתונים הגולמיים לכוח וסטייה באמצעות המספרים שנוצרו על ידי ה-UTM והערך המרבי של תא העומס של 1,000.

לאחר מכן, באמצעות ערכי הכוח והסטיה, חשב את מתח הכיפוף והמתח. שרטט את עקומת המתח-מתח הכיפוף של שלוש הדגימות: טיח, מרוכב זכוכית קצוצה ומרוכב סרט סיבים. מצא את חוזק הכיפוף המרבי מהעקומה. מצא גם את מתח הכיפוף בחוזק המרבי. לאחר מכן, חשב את מודול הכיפוף ואת השטח הכולל מתחת לעקומה עבור כל דגימה.

לבסוף, השווה את התוצאות של שלוש הדגימות. ניסוי זה מדגים כי ניתן להשיג את החוזק הרצוי של דגימה על ידי שימוש בחומרי חיזוק שונים. בבחינת נתוני המדגם, אנו רואים כי סרט סיבי זכוכית מספק את החוזק הנוסף הגדול ביותר. הוא גם מכסה את השטח המקסימלי מתחת לעקומה, ולכן הוא הקשה ביותר מבין השלושה. אורך וכיוון הסיבים משפיעים באופן דרסטי על המאפיינים של דגימות מרוכבות.

לדוגמא, ניתן להשיג את החיזוק המרבי רק כאשר סרט הפיברגלס מוגדר במקביל למשטחי הדגימה. אוריינטציה מרחבית זו מאפשרת לסרט הפיברגלס לעמוד בכוחות נוספים כאשר מטריצת הגבס נכשלת. חלקים ארוכים יותר יאפשרו מתיחה מקסימלית בבדיקה מכיוון שיש יותר טיח סביב חיזוק הפיברגלס.

חומרים מרוכבים של מטריצה קרמית משמשים במגוון רחב של תחומים: מדעי החלל, ביו-הנדסה ומערכות שבירת רכב. חומרים מרוכבים של מטריצה קרמית משמשים גם בסינתזה של העצמות המלאכותיות שלנו. לעצמות שלנו יש מטבען מבנה מורכב חזק ולכן היכולת להחליף ולשכפל עצם עקב מחלה או פציעה טראומטית היא מרכיב חשוב במדע הרפואה.

חומרים מרוכבים קרמיים מספקים גם מערכות שבירת רכב יוצאות דופן בגלל החוזק הגבוה יותר, היציבות התרמית הגבוהה יותר והבלאי הנמוך יותר. מסיבות אלה הם משמשים במכוניות ספורט.

זה עתה צפיתם במבוא של ג'וב לחומרים מרוכבים מטריצת קרמיקה ותכונות הכיפוף שלהם. כעת עליך להבין כיצד ליצור חומר מרוכב, לבדוק את תכונות הכיפוף שלו באמצעות מבחן כיפוף שלוש הנקודות, ולהשוות אותו לשאר החומרים המרוכבים.

תודה שצפית.