Una piattaforma di prova per una durata Studi di polimeri e fibra-Reinforced Polymer Composites sotto Stimoli Concurrent Hygrothermo-meccanico

Polymer e polimero rinforzato con fibre (FRP) compositi sono stati adottati in una serie di strutture di ingegneria, che vanno da aeromobili e veicoli spaziali, navi da guerra, le infrastrutture civili, (vedi ad esempi recensioni di Katnam et al. ^1, Hollaway ^2, Mouritz et al . ^3), automobili e treni, pale eoliche, alle protesi e biomateriali per suture e impianti. Durata Questi materiali "è affetto da scenari complessi di servizi, che possono includere una combinazione di una) termomeccanico carico, ad esempio, i cicli di gelo e disgelo in infrastrutture civili ^4, profili subsonico volo / supersonico ^5, usura in polietilene metal-backed ⁶⁾ ; b) la degradazione a causa di agenti atmosferici e chimici, ad esempio, acqua di mare, de-icing, fluidi idraulici per l'industria aerospaziale e navali strutture ^7-10, degrado di compositi dentali polimetilmetacrilato a causa di saliva ^11; c) inte complessoractions di materiali in articolazioni fissati o legati, ad esempio, la corrosione galvanica e delaminazione tra materiali dissimili, sia in una riparazione di patch di carbonio / fibra su una pelle di alluminio aeronautico, o un / PEEK piastra ossea carbonio fissata in acciaio inox ^12.

C'è purtroppo limitata conoscenza dell'impatto di concorrenti stimoli in servizio sulla durata a lungo termine di questi materiali. La maggior parte dei polimeri possono essere classificati come materiali viscoelastici. Carichi meccanici e condizioni ambientali influenzano significativamente la risposta viscoelastico dei polimeri. Quindi, modelli affidabili per comportamento a lungo termine di questi materiali dovrebbero essere in grado di integrare le risposte dipendenti dal tempo di igrotermico accoppiati, meccanici, stimoli chimici. Questo a sua volta migliora le previsioni di design, sicurezza e protocolli di manutenzione / sostituzione basate su condizioni.

Vi è un grande corpo della letteratura sui test sperimentali sugli effetti igrotermici, Per le prove di diffusione esempio termoigrometrici: se la scala dei campioni consente, i campioni di materiali possono essere posizionati in una camera a livelli di umidità e temperatura desiderate. I campioni vengono rimossi periodicamente per misurare la loro massa e / o cambiamenti del volume per un determinato periodo di tempo, da settimane a anni ^10,13-17. Il test termoigrometrico può essere seguita da prove meccaniche, cioè residua resistenza statica / fatica / frattura meccanica test ^17-19, che fornisce solo informazioni sull'effetto di termoigrometrico stimolo sulle risposte meccaniche dei materiali. I dati di prova possono essere montati a modelli di diffusione di varia complessità, dalla semplice diffusione Fickiano a modelli che includono dipendenza concentrazione, stress, temperatura, reversibile fisico invecchiamento / plastificazione e reazioni chimiche irreversibili. Questa uscita sperimentale può essere ulteriormente incorporata nelle analisi strutturali.

Pochi autori hanno affrontato l'impatto di hy simultaneagrothermal e stimoli meccanici. Tra questi ricercano compositi FRP, Neumann e Garom ²⁰ immerso stressati e campioni atone in acqua distillata. Lo stress è stato applicato posizionando i campioni all'interno molle in acciaio inox compressi, sintonizzare il carico utilizzando differenti rigidezze elastiche e carichi di compressione. Una procedura simile è riportato da Wan et al. ^21. Helbling e Karbhari ²² impiegati un dispositivo di piegatura all'interno di una camera ambientale per diverse percentuali di umidità relativa (RH%) e livelli di temperatura. I campioni pre-condizionato sono stati sottoposti ad un dato livello di deformazione di flessione, corrispondente ad una percentuale del ceppo rottura statico per tale composito. Kasturiarachchi e Pritchard ²³ preparato un 4 punti dima di piegatura acciaio inox (uno per campione) che è stato posizionato su uno scaffale in un grande essiccatore vetro. L'essiccatore è stato parzialmente riempito con acqua distillata, ha piccole perdite per impedire il buildup della pressione, ed è stato posto in una camera umida, a 95% RH. Gellert e Turley ⁷ indagati marine-grade campioni FRP composito per la loro durata in condizioni di carico scorrimento combinato e 100% di umidità relativa. I loro campioni sono stati caricati in 4 punti piegatura a carico costante pari al 20% del carico di flessione statica guasto, mentre è completamente immerso in acqua di mare. La deflessione scorrimento stata acquisita periodicamente utilizzando un calibro di spessore tra la superficie esterna del fascio nella sezione centrale, e una lastra di vetro (si deduce che tale misura è stata eseguita all'esterno della camera). Abdel-Magid et al. ²⁴ posizionato campioni di vetro / resina epossidica in un apparecchio ambientale Invar che è stato fornito dalla NASA Langley, i campioni sono stati caricati in trazione lungo la direzione delle fibre, al 20% del carico di rottura assiale. Ellyin e Rohrbarcher ²⁵ corse test igrotermici per un massimo di 140 giorni, e poi testato i campioni di fatica su una macchina di prova idraulica. Il campiones sono stati avvolti in un telo bagnato collegato ad un tubo e un rifornimento idrico. Earl et al. ²⁶ posizionato il loro apparecchio di carico e gli esemplari in una grande camera ambientale (5,5 m ^3).

Come discusso in molti studi sperimentali, le condizioni ambientali influenzano le proprietà meccaniche e le risposte dei polimeri. Alcuni esperimenti limitati mostrano anche che l'esistenza di meccanica sforzo / deformazione influenza il processo di diffusione nei polimeri. Pertanto, per migliorare la comprensione sulle prestazioni complessive di materiali polimerici sotto effetti sia meccanici e non meccanici, vi è una necessità di test simultaneo.

Ci sono stati diversi gli obiettivi alla base della progettazione della piattaforma di prova descritto in questo articolo. In primo luogo, la piattaforma è parte del setup sperimentale in un'indagine pluriennale sul comportamento hygrothermo-meccanico di diversi tipi di compositi sandwich FRP per turbine eoliche dind applicazioni di ingegneria navale. I dati di test sono utilizzati per calibrare i parametri nelle equazioni costitutive viscoelastiche dei compositi polimerici. I modelli costitutivi sono basati sul lavoro svolto negli anni da Muliana e collaboratori ^27-30. Il secondo obiettivo era di avere un basso costo e piattaforma di prova user-friendly, per esempio uno che potrebbe essere facilmente trasferito in un laboratorio (ad esempio, ad una scala per misure di massa, o alla sorgente del fluido, ad esempio, quello proveniente da un rubinetto, una fumehood o un armadietto infiammabile). Il terzo obiettivo era quello di creare una piattaforma di test che è resistente a una serie di sostanze chimiche comunemente usate in servizio (fluido particolare idraulica, de-icing, solventi per applicazioni aerospaziali ^8-10), quindi i campioni possono essere immersi in tali sostanze chimiche, e la loro durata potrebbe essere valutata.

La camera (Figura 1) è stato costruito con polyethyle alta densitàne, che ha alta resistenza chimica. Come accennato in precedenza, si prevede che il lavoro futuro comprenderà hygrothermo-meccanica indagini di compositi immerse nel fluido idraulico, antighiaccio, solventi. Poiché termoregolazione è parte integrante di test, polistirene espanso era adatta intorno ai lati del serbatoio ed è fissato in posizione da nastro e il telaio in acciaio stesso, per impedire lo scambio termico con l'ambiente.

Il coperchio della camera (Figura 2) è stato fabbricato da trasparente in policarbonato, 9,525 millimetri di spessore, consentendo agli utenti di osservare i campioni durante la prova senza disturbare il test. Il coperchio è fissato in posizione da alluminio barre a T, che erano lavorati a scivolare sotto sovrastante staffe sui lati del serbatoio.

Piegatura nei campioni è emanata da tre blocchi di alluminio, che pendono dal coperchio, e sono fissati attraverso fessure nel coperchio. I tre blocchi consentono fino a quattro specimens da testare in una sola volta, mentre le fessure coperchio consentono la spaziatura blocco da regolare a seconda della lunghezza dei campioni. Ciascun blocco viene arrotondato al bordo di contatto ad un diametro 12,7 millimetri, in aderenza alla norma ASTM D790-10. I campioni sono posizionati sotto due dei tre blocchi, con una forza verso l'alto applicata al suo centro per indurre piegatura (figure 1-2).

L'apparecchio è stato progettato con la massima versatilità e facilità d'uso in mente. Ruote di diametro 41,275 millimetri sono fissati sotto la camera da garantire la mobilità. Sopra di loro, il serbatoio è supportato da un telaio in acciaio saldato con fondo rete metallica e traverse di sostegno. Angolo distanziali magazzino per gli angoli esterni del serbatoio sono stati prodotti per mantenere l'isolamento di essere schiacciato dal peso e spostamento indicatori ambientali (apparato pot stringa, discusso più avanti). Intorno al top, angolo stock è stato utilizzato ancora per inquadratura. Pulegge e potenziometro stringa misure mezzeria deflessione sono montati su quattro acciaio, archi quadrati tubi (Figura 3). Il centro due archi su questi quattro portano i potenziometri archi e sono regolabili per tenere conto di campioni versatilità. I potenziometri stringa sono stati costruiti con una molla di torsione (come può essere trovato in cordini chiave a scomparsa) e potenziometri con uscite elettroniche tre punte. Le pulegge sono allineate e montate per l'uso con un cavo d'acciaio che parte da un collegamento rigido dal campione ad un'asta appesa sul lato della camera di applicazione dei pesi regolabile.

Il carico viene applicato il campione utilizzando una serie di cavi, pulegge, collegamenti e bulloni. Innanzitutto, il campione viene inserito nel cavallotto modo che la barra trasversale da 10 mm è contatto con il centro della campata. Un tondino di acciaio di diametro 9,525 millimetri con golfari alle estremità viene poi collegata al cavallotto. Questa connessione acciaio passa attraverso il coperchio della camera. Un cavo d'acciaio e kevlar thread sono attaccati al golfare di fronte al cavallotto. Questo permette al filo Kevlar dal potenziometro stringa di leggere i dati da un punto solidale. Il cavo d'acciaio continua verso l'alto e passa sopra due pulegge che permettono il carico da applicare alla periferia del serbatoio. Il cavo viene poi collegato ad un tondino di acciaio di diametro 9,525 millimetri che serve come un gancio di peso scanalata. Questo gancio fornisce un posto dove i pesi asolati possono essere impostati in modo da applicare il carico desiderato.

1. Caricare i campioni

1. Sollevare il coperchio del serbatoio e appoggiarlo sui supporti laterali (Figura 4).
2. Posizionare il campione nel cavallotto, e garantire che la barra trasversale è in contatto al centro del campione.
3. Appoggiare le estremità del provino sui supporti di alluminio pendono dal coperchio. Le estremità dei campioni dovrebbero avere 5-10 mm di sporgenza.
4. Ripetere i passaggi 1,2-1,4 per tutti i campioni che saranno testati.
5. Rimuovere il coperchio supporta, palpebra inferiore, e assicurarsi che il coperchio sia posizionato sul bordo della vasca.
6. Applicare la forza desiderata aggiungendo pesi al tondino di acciaio accanto alla puleggia esterna.

2. Spostamento di misura

1. Assicurarsi che la linea potenziometro corda viene tesa.
2. Utilizzando un multimetro digitale, misurare la resistenza tra i pin esterni del potenziometro (Figura 3), con il nero al pin 1 e rosso al Pin 3,e registrare la lettura.
3. Convertire la lettura in uno spostamento lettura calcolando il fattore di calibrazione (in questo caso, 1 k corrisponde ad uno spostamento 64,895 millimetri) resistenza.
4. Ripetere i passaggi 2,1-2,3 per ogni campione.

3. Pesatura dei campioni

1. Prima di iniziare la procedura di pesatura, registrare i dati di spostamento e di preparare una camera di contenimento interim riempita di fluido di prova a temperatura ambiente, secondo ASTM D5229 ^31, o la norma di prova adeguato.
2. Rimuovere i pesi asolati dalle estremità dei cavi di acciaio.
3. Sollevare il coperchio del serbatoio e appoggiarlo sui supporti laterali.
4. Rimuovere il campione e posizionarlo nella camera di detenzione provvisoria elaborata. Ripetere questo passaggio per tutti i campioni.
5. Rimuovere i campioni e asciugare utilizzando singolarmente un panno in microfibra per rimuovere il liquido in eccesso.
6. Posizionare il campione su una scala di alta precisione e registrare i dati reading.
7. Ripetere i passaggi 3,5-3,6 per tutti i campioni e poi seguire il protocollo Fase 1.

L'apparecchiatura di prova è svolta con successo campioni immersi in un fluido in tre punti piegatura. Con precisioni ragionevoli, i campioni possono essere caricati e testati con letture accurate dei potenziometri per mid-point deflessione modifiche. La variazione di resistenza elettrica può essere registrato 4 cifre significative, con conseguente spostamento risoluzione dell'ordine di 0,1 micron.

Test Hygrothermo-meccaniche sono state condotte a temperatura ambiente su due gruppi di quattro esemplari di poliuretano espanso a cellule chiuse, con dimensioni nominali 215 mm di lunghezza x 24 mm spessore x 18 mm di larghezza. Un gruppo è stato testato nella camera in condizioni asciutte, inteso come) in aria, all'interno del serbatoio, e b) a temperatura ambiente umidità relativa ~ 50% RH (la prova ha avuto luogo alla fine di giugno in un laboratorio situato in hot e secco nord della California Central Valley, in USA). Questo primo gruppo di campioni viene qui indicato come «esemplari secchi. Il secondo gruppo dicampioni è stato testato nel serbatoio mentre è completamente immerso in acqua deionizzata (100% RH, qui indicato come «campioni umidi"). I campioni sono stati caricati con appesi pesi approssimativamente pari al 50% del loro carico finale in condizioni asciutte statiche, con conseguente (1.780 ± 0.116) kg. L'applicazione di ogni peso appeso ha pochi secondi, per raggiungere condizioni di carico quasi-statico. Ci si aspettava che la schiuma avrà un comportamento viscoelastico non lineare, ma non era noto a priori come l'stimoli concomitante diminuirebbe la durata di schiuma rispetto ai modelli secco.

Misure di resistenza sul multimetro digitale sono state prese per ogni campione, ad intervalli di circa 15 min per i primi 6 ore di test. Le misure sono state prese dopo un ulteriore 18 ore. Da questo, il cambiamento di mezzeria deflessione è stato rintracciato. Sulla base dei dati raccolti, lo spostamento dopo 24 ore per la provini a secco era (2.141 ± 0.371) mm,mentre lo spostamento dei campioni umidi era significativamente superiore, e pari a (14,41 ± 3,62) mm (Figura 5, Tabella 1).

Dopo ogni periodo di prova, i campioni sono stati poi testati per resistenza residua caricandoli fino alla rottura. I campioni umidi sono stati trovati per avere un carico di rottura residuo pari a (2.970 ± 0.246) kg, rispetto al carico residuo di errore (3.623 ± 0,0967) kg per i provini asciutti, (figura 6, Tabella 2). La risoluzione per le misurazioni di carico guasto residue era ± 0,194 kg.

Figura 1. Panoramica dei componenti principali di apparecchiatura di prova. A. Alta densità serbatoio in polietilene. B. espanso isolante in polistirene espanso. C. scanalato coperchio in policarbonato. D. alluminio T bar e la staffa sporgenza. E. tre punti di flessione supports. F. telaio inferiore. Distanziatori G. angolo. H. Top telaio. Assemblee potenziometro I. stringa. J. Abbassare il carico di assemblaggio. Pesi K. forato e appendiabiti. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2. Vista dettagliata di coperchio. A. serbatoio in polietilene ad alta densità. C. Coperchio in policarbonato scanalato. D. alluminio T-bar e la staffa sporgenza. E. tre punti supporti piegatura. Gruppo di caricamento J. Lower. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3. assemblaggio String potenziometro del dispositivo di prova. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4. Sostegni dell'apparato test. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5. mezzeria variazione di cilindrata con il tempo, per gli esemplari asciutte e bagnate. Motivie clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6. Box appezzamenti di carichi residui verso il fallimento, per gli esemplari asciutto e bagnato, che mostrano il più grande vulnerabilità degli esemplari bagnati. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 7. Foto di esemplari di schiuma dopo prove di resistenza alla flessione residuo: (A) e (B) esemplari secchi, (C) e (D) esemplari bagnati. La larghezza del provino è nominale24 mm. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Tabella 1. Spostamento in funzione del tempo di campioni di schiuma in ambiente di umidità relativa (esemplari secchi).

Tabella 2. Spostamento in funzione del tempo di campioni di schiuma al 100% di umidità relativa (esemplari bagnati).

Gli autori non hanno nulla da rivelare.