Mechanoluminescent Visualization of Crack Propagation for Joint Evaluation

Nao Terasaki; Yuki Fujio

doi:10.3791/64118

הדמיה מכנולומינסנטית של התפשטות סדקים להערכת מפרקים

JoVE Journal
Engineering

This content is Free Access.

JoVE Journal Engineering

Mechanoluminescent Visualization of Crack Propagation for Joint Evaluation

הדמיה מכנולומינסנטית של התפשטות סדקים להערכת מפרקים

Full Text

6,064 Views

04:58 min

January 6, 2023

DOI: 10.3791/64118-v

Nao Terasaki¹, Yuki Fujio¹

¹Sensing System Research Center (SSRC),National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This study presents a protocol for utilizing mechanoluminescent (ML) visualization to monitor crack propagation and mechanical behavior during adhesive joint evaluation testing. The method allows for direct visualization of mechanical information that is typically challenging to quantify.

Key Study Components

Area of Science

Mechanical Engineering
Materials Science
Structural Health Monitoring

Background

Mechanoluminescent sensors provide real-time visualization of mechanical stimuli.
Traditional methods of assessing adhesive joints often lack direct measurement techniques.
Understanding crack propagation is crucial for evaluating material integrity.
This protocol aims to enhance the accuracy of mechanical testing through innovative visualization.

Purpose of Study

To demonstrate a protocol for ML visualization in adhesive joint testing.
To improve the understanding of crack behavior and stress distribution.
To facilitate structural health monitoring and design improvements.

Methods Used

Preparation of mechanoluminescent sensors and test specimens.
Use of cameras to record crack propagation during mechanical testing.
Application of blue light for excitation of the mechanoluminescent paint.
Analysis of mechanoluminescent images to calculate fracture toughness.

Main Results

Intense mechanoluminescence observed at crack tips during testing.
Successful visualization of stress distribution in adhesive joints.
Demonstrated repeatability of results under controlled conditions.
Provided insights into the mechanical behavior of composite materials.

Conclusions

The mechanoluminescent visualization method offers a novel approach to monitor mechanical behavior.
This technique can enhance the design and prediction of structural materials.
Future applications may include broader structural health monitoring strategies.

Frequently Asked Questions

What is mechanoluminescence?

Mechanoluminescence is the emission of light from a material when it is mechanically stressed.

How does this method improve adhesive joint testing?

It allows for direct visualization of crack propagation and stress distribution, enhancing measurement accuracy.

What materials can be tested using this protocol?

The protocol is applicable to various adhesive joints and composite materials.

Who conducted the experiments in this study?

The experiments were conducted by Yumi Nogami and technical staff including Wakana Sugawa, Chieko Hirakawa, Maiko Iseki, and Yoko Sakamoto.

What are the key advantages of using mechanoluminescent sensors?

They provide real-time visualization of mechanical behavior, which is difficult to quantify using traditional methods.

Can this method be used for other applications?

Yes, it can also be utilized for structural health monitoring and mechanical stimulation of materials.

במחקר זה מוצג פרוטוקול המתאר את השימוש בהדמיה מכנולומינסנטית (ML) לניטור התפשטות סדקים והתנהגות מכנית במהלך בדיקות הערכת מפרקים דביקים.

כדי להשתמש בשגיאות תוצאה של חישה מכנית, פרוטוקול זה מראה את ההכנה של חיישן mechanoluminescent, את סוגי סביבת המדידה ואת תנאי ההקלטה שיש לאמץ עבור חזרות. היתרון של שיטה זו הוא הדמיה ישירה של קצה הסדק וחוזקו, פיזור מתח וריכוז בגירויים מכניים שבמקור קשה לכמת ישירות. פרוטוקול זה מתמקד בהדמיית מידע מכני במהלך בדיקת הערכת דבק.

ניתן להשתמש בו גם לניטור בריאות מבנית, תכנון וגירוי מכני של מבנה, חומר מבני ומפרקים. המדגים את הנוהל לריסוס צבע ML יהיה יומי נוגמי. ולבדיקת DCB ו- Lap-Shear יהיו וואקנה סוגאווה, צ'יקו היראקאווה, מאיקו איסקי ויוקו סאקאמוטו, דברים טכניים של המעבדה שלי.

כדי להתחיל, להכין את דגימת הבדיקה על ידי החלת צבע mechanoluminescent על פני השטח מטופלים מראש של קרן Cantilever כפול, או DCB, עם תרסיס אוויר או תרסיס יכול. לאחר מכן, בצע את המערך הניסיוני למדידת המכנולומינסנט על ידי הרכבת דגימת הצבע המכנולומינסנטית שרוססה על מכונת הבדיקה המכנית באמצעות זיג מיוחד. מקם את המצלמות מול כל משטח דגימת בדיקה מול מיקום קצה הסדק לניטור.

לאחר מכן בדוק את תנאי המצלמה כדי לוודא שהיא יכולה להקליט את ה- afterglow במהלך זמן המדידה המשוער של הבדיקה המכנית. כדי לבצע תצפית מכנולומינסנטית במבחן DCB, הגדר את קצב ההקלטה של המצלמה לפריים אחד או שניים לשנייה, זמן החשיפה ל -0.5 או שנייה אחת, והרווח למקסימום. לאחר מכן, הקרן את דגימת DCB מרוססת בצבע mechanoluminescent עם אור כחול של 470 ננומטר לעירור באמצעות נורית LED כחולה מכל כיוון מצלמה למשך דקה אחת.

התחל להקליט את המצלמה חמש שניות לפני שתסיים את הקרנת האור הכחול. תנו לדגימה להישאר בחושך למשך דקה אחת כדי להבטיח שהדגימה תשקע. לאחר מכן החל עומס מכני באמצעות מכונת בדיקה מכנית עם קצב טעינה של מילימטר אחד לדקה כדי לקבל את התמונה mechanoluminescent.

חשב את אורך הסדק על ידי שימוש במידע על מיקום קצה הסדק אשר נקבע מנקודת המכנולומינסנט במהלך התפשטות הסדק בדגימת ריסוס הצבע המכנולומינסנטי כדי לקבל את קשיחות השבר G1C המבוטאת בקילו-ג'ולים למטר מרובע באמצעות המשוואה. כדי לבצע את התצפית המכנולומינסנטית במבחן Lap-Shear, הגדר את קצב הקלטת המצלמה ל -10 עד 50 פריימים לשנייה, זמן החשיפה ל -0.02 או 0.1 שניות, ורווח למקסימום. לאחר מכן הקרינו את דגימת DCB שרוססה בצבע מכנולומינסנט באור כחול של 470 ננומטר, התחילו את הקלטת המצלמה והמתינו במצב חשוך כפי שהוכח קודם לכן.

החל עומס מכני עם קצב טעינה של אחד עד חמישה מילימטרים לדקה כדי לקבל את התמונה mechanoluminescent. ההתנהגות המכנולומינסנטית שנרשמה במהלך בדיקת DCB הראתה מכנולומינסנציה אינטנסיבית במיקום הסדק הראשוני עקב ריכוז המתח. ההתנהגות המכנולומינסנטית שנרשמה במהלך בדיקת Lap-Shear הראתה מכנולומינסנציה אינטנסיבית תחילה בקצוות של הדבק המחובר באזורים פעורים ולאחר מכן הנקודות המכנולומינסנטיות עברו מקצוות ההדבקה למרכז עם מכנולומינסנציה אינטנסיבית שנראתה בנקודת המרכז.

הדברים החשובים ביותר שיש לזכור צריכים להיות איזון של הביצועים של סרט חיישן mechanoluminescent. זמן המתנה עד לשחיקה מכנית ותנאי ההקלטה. מפרקים וחומרים מרוכבים במבנה קל משקל ידועים כחלק קשה להדמיית התנהגות מכנית.

שיטת החישה החזותית המכנולומינסנטית מספקת תשובה אמיתית ונכונה לקריאת תכנון וחיזוי מתאימים.