La durata dei polimeri e dei compositi polimerici rinforzati con fibre in servizio è un aspetto critico per la loro progettazione e la manutenzione basata sulle condizioni. Presentiamo una nuova piattaforma di test di laboratorio a basso costo per lo studio dell'influenza dei carichi meccanici e ambientali concomitanti e possiamo aiutare a progettare strutture composite più efficienti ma più sicure.
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Articolo metodologico
Una piattaforma di prova per una durata Studi di polimeri e fibra-Reinforced Polymer Composites sotto Stimoli Concurrent Hygrothermo-meccanico
In questo articolo
Sommario
Abstract
La durata dei polimeri e compositi polimerici rinforzati con fibre sotto condizione di servizio è un aspetto critico da affrontare per il loro design robusto e basata sulle condizioni di manutenzione. Questi materiali sono adottati in una vasta gamma di applicazioni di ingegneria, di strutture di aeromobili e navi, ai ponti, pale eoliche, biomateriali e impianti biomedici. I polimeri sono materiali viscoelastici, e la loro risposta possono essere altamente non lineare e rendere difficile da prevedere e monitorare le loro prestazioni in servizio così. La piattaforma di test di laboratorio su scala presentato qui assiste l'indagine della influenza di carichi meccanici concorrenti e delle condizioni ambientali su tali materiali. La piattaforma è stata progettata per essere a basso costo e di facile utilizzo. I materiali resistenti agli agenti chimici rendono la piattaforma adattabile a studi di degradazione chimica a causa dell'esposizione in servizio ai fluidi. Un esempio di esperimento è stato condotto a temperatura ambiente su cellule chiuse poliuretanocampioni schiuma caricati con un peso corrispondente a ~ 50% del loro carico statico e secco finale. I risultati mostrano che l'apparecchiatura di prova è appropriato per questi studi. I risultati evidenziano anche maggiore vulnerabilità del polimero sotto carico concomitante, in base ai più elevati spostamenti mid-point e bassi carichi di rottura residue. Raccomandazioni sono fatti per ulteriori miglioramenti alla apparecchiatura di prova.
Introduzione
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.
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Protocollo
1. Caricare i campioni
- Sollevare il coperchio del serbatoio e appoggiarlo sui supporti laterali (Figura 4).
- Posizionare il campione nel cavallotto, e garantire che la barra trasversale è in contatto al centro del campione.
- Appoggiare le estremità del provino sui supporti di alluminio pendono dal coperchio. Le estremità dei campioni dovrebbero avere 5-10 mm di sporgenza.
- Ripetere i passaggi 1,2-1,4 per tutti i campioni che saranno testati.
- Rimuovere il coperchio supporta, palpebra inferiore, e assicurarsi che il coperchio sia posizionato sul bordo della vasca.
- Applicare la forza desiderata aggiungendo pesi al tondino di acciaio accanto alla puleggia esterna.
2. Spostamento di misura
- Assicurarsi che la linea potenziometro corda viene tesa.
- 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.
- 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.
- Ripetere i passaggi 2,1-2,3 per ogni campione.
3. Pesatura dei campioni
- 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.
- Rimuovere i pesi asolati dalle estremità dei cavi di acciaio.
- Sollevare il coperchio del serbatoio e appoggiarlo sui supporti laterali.
- Rimuovere il campione e posizionarlo nella camera di detenzione provvisoria elaborata. Ripetere questo passaggio per tutti i campioni.
- Rimuovere i campioni e asciugare utilizzando singolarmente un panno in microfibra per rimuovere il liquido in eccesso.
- Posizionare il campione su una scala di alta precisione e registrare i dati reading.
- Ripetere i passaggi 3,5-3,6 per tutti i campioni e poi seguire il protocollo Fase 1.
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Risultati
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 d...
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Discussione
Dai dati acquisiti, si può vedere che lo scenario test simultaneo ha influenzato la durabilità dei campioni schiuma di poliuretano a celle chiuse. Questo può essere visto confrontando notevolmente differenti spostamenti (Figura 5) e carichi residui al fallimento (Figura 6) di campioni asciutto e bagnato. Figura 7 mostra le immagini dei campioni dopo le prove di resistenza residua. Va inoltre osservato che, mentre lo spostamento dei campioni secco fino a stabilizzarsi en...
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Dichiarazioni
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Ringraziamenti
Gli autori ringraziano Destiny Garcia, Serena Ferraro, Erik Quiroz e Steven Kern (Advanced Composites Research, Ingegneria e Scienza di laboratorio) per il loro aiuto nel progettare e realizzare la configurazione di prova. Shawn Malone, Michael Akahori, David Kehlet (Ingegneria Fabrication Lab) sono riconosciuti per i loro suggerimenti e assistenza nel processo di lavorazione. Il sostegno della National Science Foundation (contributo collaborativo CMMI-1.265.691 e il suo supplemento REU) e l'Office of Naval Research (N00014-13-1-0604 di A. Muliana, Texas & M University (Principal Investigator), e V. La Saponara , gestito dal direttore del programma Yapa Rajapakse) sono apprezzati.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Barre rettangolari in alluminio 6061 | McMaster-Carr, USA | 8975K268, 1668T72, 7062T17, | Parte della piattaforma di test |
| Alluminio 6061 90 gradi angoli | McMaster-Carr, USA | 8982K91, 8982K14 | Parte della piattaforma di test |
| Acciaio inossidabile 440C | McMaster-Carr, USA | 6253K52 | Parte della piattaforma di prova |
| Fogli di polietilene ad alta densità | Tap Plastics, USA | N/A (0,236 pollici di spessore x 10,75 pollici di larghezza x 16,75 pollici di lunghezza) | Parte della piattaforma di prova Fogli di |
| polietilene ad alta densità | Tap Plastics, USA | N/A (0,354 pollici di spessore x 6 pollici di larghezza x 10 pollici di lunghezza) | Parte della piattaforma di prova |
| Fogli di polietilene ad alta densità | Tap Plastics, USA | N/A (0,354 pollici di spessore x 6 pollici di larghezza x 16,75 pollici di lunghezza) | Parte della piattaforma di prova |
| Lastre in policarbonato | Tap Plastics, USA | N/A (0,375 pollici di spessore, 11,5 pollici di larghezza, 17,5 pollici di lunghezza) | Parte della piattaforma di prova |
| Polistirene espanso | Home Depot | Modello # 310880 Internet # 202532855 | Parte della piattaforma di prova |
| Fune d'acciaio zincato | McMaster-Carr, USA | 3498T63 | Parte della piattaforma di prova |
| Bullone a occhiello in acciaio | McMaster-Carr, USA | 3013T341 | Parte della piattaforma di prova |
| Acciaio a basso tenore di carbonio 90° angolo | McMaster-Carr, USA | 9017K444 | Parte della piattaforma di test |
| Barre in acciaio a basso tenore di carbonio | McMaster-Carr, USA | 8920K84, 8920K75, 8920K231, 8920K135, 8920K84 | Parte della piattaforma di test |
| Tubi in acciaio a basso tenore di carbonio | McMaster-Carr, USA | 6527K314, 8910K394, 8910K395, 8920K94 | Parte della piattaforma di test |
| Bullone a U in acciaio inossidabile 304 | McMaster-Carr, USA | 8896T104 | Parte della piattaforma di prova |
| Puleggia in acciaio | McMaster-Carr, USA | 3099T34 | Parte della piattaforma di prova |
| 1008 lamiere di acciaio al carbonio | McMaster-Carr, USA | 9302T113 | Parte della piattaforma di prova |
| Ruote girevoli per impieghi leggeri | Harbor Freight, USA | 41519 | Parte della piattaforma di prova |
| 100- Set di pesi in vinile lbf | Overstock.com 11767059 | Parte della piattaforma di prova | |
| Schiuma poliuretanica a cellule chiuse | General Plastics, USA | FR-3704 | Campioni di test |
| dell'acqua deionizzata | , sistema di filtraggio PurLab | N/A | Fluido condizionante del serbatoio |
| Molla torsionale | Clip per chiave retrattile, Ebay, USA | Lotto 10 | Utilizzato per costruire il potenziometro |
| Filo in kevlar | Cabela' s | IK-321909 | Utilizzato per costruire il potenziometro di stringa Potenziometro |
| da 10 kOhm | Ebay, USA | 3590S-2-103L | Utilizzato per costruire il potenziometro di stringa |
| Multimetro digitale | Harbor Freight, USA | 98674 | Utilizzato per misurare la resistenza del potenziometro di stringa |
Riferimenti
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Ristampe e permessi
