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संयुक्त मूल्यांकन के लिए क्रैक प्रसार का मेकानोल्यूमिनेसेंट विज़ुअलाइज़ेशन

Published: January 6, 2023 doi: 10.3791/64118
Automatic Translation
1, 1
1Sensing System Research Center (SSRC), National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

Summary

इस अध्ययन में, एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया गया है जो चिपकने वाला संयुक्त मूल्यांकन परीक्षण के दौरान दरार प्रसार और यांत्रिक व्यवहार की निगरानी के लिए मेकानोल्यूमिनेसेंट (एमएल) विज़ुअलाइज़ेशन के उपयोग का वर्णन करता है।

Abstract

इस अध्ययन में, चिपकने वाले जोड़ों का मूल्यांकन करने के लिए दरार प्रसार और यांत्रिक व्यवहार के मेकेनोल्यूमिनेसेंट (एमएल) विज़ुअलाइज़ेशन के तरीकों का प्रदर्शन और समझाया गया है। पहले चरण में नमूना तैयार करना शामिल था; चिपकने वाले संयुक्त नमूनों की सतह पर एमएल पेंट लागू करने के लिए एक एयर स्प्रे का उपयोग किया गया था। माप स्थितियों की जांच करने के लिए एमएल सेंसर के प्रदर्शन का वर्णन किया गया था। डबल कैंटिलीवर बीम (डीसीबी) परीक्षण और एक लैप-कतरनी (एलएस) परीक्षण के दौरान एमएल सेंसिंग के परिणाम प्रदर्शित किए जाते हैं क्योंकि ये चिपकने वाले पदार्थों के मूल्यांकन के लिए सबसे अधिक बार और व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले तरीके हैं। मूल रूप से, दरार की नोक और तनाव / तनाव वितरण और एकाग्रता को सीधे मापना मुश्किल था क्योंकि दरार की नोक बहुत छोटी थी, और तनाव के प्रभाव ों को नहीं देखा जा सकता था। यांत्रिक परीक्षण के दौरान मेकेनोल्यूमिनेसेंस, क्रैक प्रसार और यांत्रिक व्यवहार को चिपकने वाले मूल्यांकन के दौरान एमएल पैटर्न के माध्यम से देखा जा सकता है। यह दरार युक्तियों की सटीक स्थिति और संरचनात्मक विफलता से संबंधित अन्य यांत्रिक व्यवहारों की पहचान के लिए अनुमति देता है।

Introduction

मेकानोल्यूमिनेसेंट (एमएल) सेंसिंग सामग्री कार्यात्मक सिरेमिक पाउडर हैं जो यांत्रिक उत्तेजनाओं के तहत बार-बार तीव्र प्रकाश उत्सर्जित करते हैं। यह घटना लोचदार विरूपण 1,2,3,4 के क्षेत्रों के भीतर भी देखी जाती है। जब एक संरचना की सतह पर फैलाया जाता है, तो व्यक्तिगत एमएल कण संवेदनशील यांत्रिक सेंसर के रूप में कार्य करते हैं, और दो-आयामी (2 डी) एमएल पैटर्न गतिशील तनाव वितरण को दर्शाता है। एमएल उत्सर्जन पैटर्न तनाव वितरण 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 (चित्रा 1 ए) का एक यांत्रिक अनुकरण प्रस्तुत करता है।

जैसा कि चित्रा 1 बी में दिखाया गया है, एमएल सेंसर को हाल ही में उन्नत हल्के संरचनात्मक सामग्री (जैसे, उच्च तन्यता शक्ति स्टील 5,6, एल्यूमीनियम, कार्बन फाइबर-प्रबलित प्लास्टिक [सीएफआरपी]7), क्षति सहिष्णुता डिजाइनके लिए चिपकने वाला जोड़, वाले कूपन परीक्षण नमूनों का उपयोग करके लोचदार, प्लास्टिक और विनाश प्रक्रियाओं में दो-आयामी (2 डी) और तीन-आयामी (3 डी) गतिशील यांत्रिक व्यवहार की कल्पना करने के लिए लागू किया गयाहै। 9,10,11, और उत्पाद घटक (उदाहरण के लिए, फोल्डेबल फोन12 के लिए गियर और लचीली इलेक्ट्रॉनिक्स फ़ाइल, और कंप्यूटर-एडेड इंजीनियरिंग [सीएई] को मान्य करने के लिए उपयोग किए जाने वाले जटिल चिपकने वाले और / या वेल्डिंग जोड़ों के परिणामस्वरूप प्रयोगशाला-स्तर के परीक्षण 2,8,9,10,11 ). इसके अतिरिक्त, एमएल सेंसर का उपयोग व्यावहारिक अनुप्रयोगों में सफलतापूर्वक किया गया है, जैसे कि दरार प्रसार का पता लगाने के लिए इमारतों और पुलों की संरचनात्मक स्वास्थ्य निगरानी (एसएचएम) या संरचनात्मक गिरावट 2,6,13 के कारण तनाव एकाग्रता की संभावना, इंटरलामिनर परतों में आंतरिक दरार प्रसार की निगरानी 7,9, उच्च दबाव हाइड्रोजन जहाजों के जीवनकाल की भविष्यवाणी। 9, कंपन मोड14 में प्रभाव तरंग प्रसार या उत्तेजना की कल्पना करने के लिए गतिशीलता के प्रभाव परीक्षण, और जीतने की संभावना बढ़ाने के लिए उपयुक्त भौतिक सेटिंग्स निर्धारित करने के लिए खेल उपकरणों का दृश्य संवेदन। प्रोटोकॉल में, चिपकने वाले संयुक्त मूल्यांकन परीक्षण के दौरान दरार प्रसार और यांत्रिक व्यवहार में बाद के परिवर्तनों की निगरानी के लिए एमएल विज़ुअलाइज़ेशन का चयन किया गया था।

इस विषय का चयन करने के कई कारण हैं। पहला कारण हाल के वर्षों में चिपकने वाले जोड़ों के महत्व में उल्लेखनीय वृद्धि है। हाल ही में, महत्वपूर्ण सीओ2 कमी और ऊर्जा की बचत की आवश्यकता के कारण, विभिन्न प्रकार की हल्की सामग्रियों को विकसित किया गया है और गतिशीलता और परिवहन उद्योगों में लागू किया गया है, जैसे कि ऑटोमोबाइल, विमान और ट्रेनों के लिए। इस प्रवृत्ति के हिस्से के रूप में, चिपकने वाली तकनीक ने बहु-सामग्री रणनीति15 में विभिन्न हल्के सामग्रियों (असमान सामग्री जोड़ों) को स्वतंत्र रूप से शामिल करने के लिए एक प्रमुख तकनीक के रूप में महत्व प्राप्त किया है। इसके अलावा, चिपकने वाली ताकत निर्धारित करने के लिए एमएल विज़ुअलाइज़ेशन विधि, विशेष रूप से असमान सामग्री में, विभिन्न अंतरराष्ट्रीय मानकों 16,17,18,19,20 द्वारा सुझाई गई है। चिपकने वाली ताकत का मूल्यांकन अनिवार्य रूप से विनाशकारी परीक्षण है, और प्राप्त चिपकने वाली ताकत को मुख्य रूप से दो प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है: (1) फ्रैक्चर क्रूरता ऊर्जा (जीसी), जो लोड आवेदन के दौरान दरार प्रसार की स्थिति का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है, और (2) चिपकने वाली ताकत, जो चिपकने वाले जोड़ के टूटने पर लोड का उपयोग करके निर्धारित की जाती है। यद्यपि डबल कैंटिलीवर बीम (डीसीबी) परीक्षण और एकल लैप-कतरनी (एलएस) परीक्षण क्रमशः फ्रैक्चर कठोरता और चिपकने वाली ताकत के प्रतिनिधि मूल्यांकन विधियां हैं, और दुनिया भर में सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले चिपकने वाले परीक्षण विधियों का प्रतिनिधित्व करते हैं 15,16,17,18,19,20 तनाव वितरण को अलग करने के लिए दरार की नोक बहुत छोटी है। इसलिए, फ्रैक्चर क्रूरता ऊर्जा (जीसी) मूल्य अत्यधिक बिखरा हुआ है। उद्योग में चिपकने वाले और अन्य व्यक्तियों की जांच करने वाले शोधकर्ताओं की सिफारिशों के परिणामस्वरूप, चिपकने वाले संयुक्त मूल्यांकन परीक्षण 8,9,10,11,21 के दौरान दरार प्रसार और यांत्रिक व्यवहार में बाद के परिवर्तनों की निगरानी के लिए मेकानोल्यूमिनेसेंट (एमएल) विज़ुअलाइज़ेशन की जांच की गई है। . इस प्रोटोकॉल में इस विषय का चयन करने का दूसरा कारण यह है कि तनाव / तनाव दरार टिप पर अत्यधिक केंद्रित है, जो क्रैक प्रसार के दौरान एमएल बिंदु पर तीव्र मेकेनोल्यूमिनेसेंस उत्पन्न करता है, और यह संभावित रूप से विभिन्न एमएल परीक्षण अनुप्रयोगों के बीच सबसे अधिक उपयोगकर्ता के अनुकूल पद्धति है। इसके अतिरिक्त, इस विधि का उपयोग नमूना तैयारी और अत्यधिक कुशल एमएल सामग्री में उन्नत अनुभव के बिना किया जा सकता है।

इसलिए, इस अध्ययन में, एमएल विज़ुअलाइज़ेशन के प्रोटोकॉल को दरार प्रसार की निगरानी और चिपकने वाले संयुक्त मूल्यांकन परीक्षण के दौरान यांत्रिक व्यवहार में बाद के परिवर्तनों के लिए समझाया गया है, जैसा कि चित्रा 2 में दिखाया गया है।

Protocol

वर्तमान अध्ययन डीसीबी नमूनों का उपयोग करके आयोजित किया गया था। डीसीबी एक मानक परीक्षण नमूना है जिसका उपयोग अक्सर दरार विकास और फ्रैक्चर यांत्रिकी 16,17,18 का अध्ययन करने के लिए किया जाता है।

1. परीक्षण नमूना तैयार करना

  1. एमएल पेंट के आवेदन से पहले सतह प्रथागत प्रदर्शन करें ( सामग्री की तालिका देखें)। परीक्षण नमूना सतह (जिस पर उपयोगकर्ता एमएल पेंट स्प्रे करना चाहता है) को सतह को कम करने के लिए आइसोप्रोपिल अल्कोहल (आईपीए) या इथेनॉल जैसे विलायक के साथ पोंछें।
  2. नीचे दिए गए चरणों का पालन करते हुए एमएल पेंट तैयार करें और लागू करें।
    1. एमएल पेंट के लिए मुख्य एपॉक्सी अभिकर्मक के 20 ग्राम का वजन करें ( सामग्री की तालिका देखें), जिसमें SrAl2O4: Eu2 + ML सामग्री, और 3.1 ग्राम इलाज अभिकर्मक शामिल हैं, और उन्हें 100 mPa की चिपचिपाहट प्राप्त करने के लिए एक मापने वाले कप में टोल्यूनि और एथिल एसीटेट जैसे कार्बनिक विलायक के साथ मिलाएं।
    2. एयर स्प्रे या स्प्रे कैन का उपयोग करके छिड़काव करके डीसीबी नमूने की सतह पर एमएल पेंट लागू करें (चित्रा 3)।
    3. नमूने को कमरे के तापमान पर रात भर धीरे-धीरे सुखाएं।
      नोट: एमएल पेंट एमएल और बहुलक रेजिन को मिलाकर तैयार किया गया था। एमएल सामग्री 1,2,3,4 और बहुलक सामग्री का उपयोग वाणिज्यिक एमएल पेंट के विपरीत किया जा सकता है। हालांकि, इस अध्ययन में प्रोटोकॉल को अच्छे प्रदर्शन को सुनिश्चित करने के लिए वाणिज्यिक एमएल पेंट या स्प्रे डिब्बे (जैसा कि चित्रा 3 में दिखाया गया है) का उपयोग करके वर्णित किया गया है। यद्यपि एमएल सामग्री की सामग्री दर दक्षता पर निर्भर करती है, एमएल सामग्री के 25 डब्ल्यूटी% या 50 डब्ल्यूटी% से अधिक को एमएल पेंट22 में सामग्री दर के रूप में चुना गया था। चरण 1.2.1 में वर्णित चिपचिपाहट का मूल्यांकन विस्कोमीटर 8,9 का उपयोग करके किया गया था (सामग्री की तालिका देखें)।
  3. उपचार के बाद, नमूने पर स्प्रे किए गए एमएल पेंट को 1 घंटे के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर गर्म करके नमूने का इलाज करें।
    नोट: पोस्ट-ट्रीटमेंट की स्थितियां उन स्थितियों की सीमा के भीतर होनी चाहिए जो एमएल पेंट के राल को ठीक करने के लिए उपयुक्त हैं और जो परीक्षण टुकड़े और बॉन्डिंग प्रदर्शन को प्रभावित नहीं करती हैं।
  4. गुणवत्ता की पुष्टि करें।
    1. पुष्टि करें कि स्प्रे किया गया एमएल पेंट सतह पर लगभग समान है।
    2. माइक्रोस्कोप या कोटिंग मोटाई गेज8 (चित्रा 4) का उपयोग करके लगभग 50-100 μm की मोटाई सुनिश्चित करें।
      नोट: एमएल एपॉक्सी अभिकर्मक में लोड वितरण को रोकने के लिए कम मोटाई उपयुक्त है। चिपकने वाला परीक्षण के लिए एमएल विज़ुअलाइज़ेशन का उपयोग करने के लिए स्प्रे किए गए एमएल पेंट की एकरूपता आवश्यक है क्योंकि उच्च तनाव एकाग्रता के कारण दरार की नोक पर तीव्र मेकेनोल्यूमिनेसेंस देखा जा सकता है। इसलिए, स्प्रे किए गए एमएल पेंट को चरण 1.4.1 में "मोटे तौर पर समान" के रूप में व्यक्त किया जाता है।

2. डीसीबी परीक्षण के लिए एमएल माप

  1. एमएल माप के लिए प्रयोगात्मक सेटअप के लिए, निम्न चरणों का पालन करें।
    1. डीसीबी परीक्षण16,17,18 के लिए एक विशेष ज़िग (सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग करके यांत्रिक परीक्षण मशीन पर एमएल पेंट-स्प्रे किए गए नमूने को माउंट करें, जैसा कि चित्रा 5 ए में दिखाया गया है।
      नोट: डीसीबी परीक्षण नमूनों को डीसीबी परीक्षण 16,17,18 के लिए अंतरराष्ट्रीय मानकों का पालन करना चाहिए।
    2. परीक्षण नमूने की प्रत्येक सतह के सामने कैमरे (एक सीसीडी, चार्ज-युग्मित डिवाइस, या एक सीएमओएस, पूरक धातु ऑक्साइड अर्धचालक; सामग्री की तालिका देखें) रखें ताकि वे 8,9,10,11,12 की निगरानी के लिए क्रैक टिप की स्थिति का सामना करें (चित्रा 5 बी)। ). यह सुनिश्चित करने के लिए कैमरे की स्थितियों की जांच करें कि यह यांत्रिक परीक्षण के अनुमानित माप समय के दौरान आफ्टरग्लो (एजी) रिकॉर्ड कर सकता है।
      नोट: यद्यपि नमूना की सभी दिशाओं के लिए एक चार-तरफ़ा कैमरा सिस्टम अनिवार्य नहीं है, कैमरों की संख्या नमूने के चेहरे पर निर्भर है जिस पर उपयोगकर्ता ध्यान केंद्रित करना और रिकॉर्ड करना चाहता है।
  2. डीसीबी परीक्षण में एमएल अवलोकन करें।
    1. अंधेरे की स्थिति सुनिश्चित करने के लिए परिवेश सेट करें।
    2. कैमरा रिकॉर्डिंग स्थितियों को सेट करें: रिकॉर्डिंग दर = 1 या 2 फ्रेम प्रति सेकंड (एफपीएस); एक्सपोजर समय = 0.5 एस या 1 एस; और लाभ = अधिकतम।
    3. 1 मिनट के लिए प्रत्येक कैमरे की दिशा से नीले एलईडी ( सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग करके उत्तेजना के लिए 470 एनएम नीली रोशनी के साथ एमएल पेंट-स्प्रे किए गए डीसीबी नमूने को विकिरणित करें।
    4. नीली रोशनी विकिरण समाप्त करने से पहले कैमरा रिकॉर्डिंग 5 सेकंड शुरू करें।
    5. यह सुनिश्चित करने के लिए 1 मिनट के लिए अंधेरी स्थिति में प्रतीक्षा करें कि आफ्टरग्लो शांत हो जाए।
      नोट: एमएल सेंसिंग सामग्री और कैमरे के प्रकार के अनुसार सेटल-डाउन समय को बदला जा सकता है, विशेष रूप से रिकॉर्ड की गई फिल्मों में मेकेनोल्यूमिनेसेंस और आफ्टरग्लो तीव्रता के संतुलन के संबंध में।
    6. एमएल छवि (चित्रा 5 सी और मूवी 1) प्राप्त करने के लिए 1 मिमी / मिनट की लोडिंग दर के साथ एक यांत्रिक परीक्षण मशीन का उपयोग करके एक यांत्रिक लोड 16,17,18 लागू करें।
    7. दरार टिप स्थिति पर जानकारी का उपयोग करके दरार की लंबाई (ए) की गणना करें, जो एमएल पेंट-स्प्रे किए गए नमूने (मूवी 1) में दरार प्रसार के दौरान एमएल बिंदु से निर्धारित किया जाता है, फ्रैक्चर कठोरता, जी 1 सी (केजे / एम2), समीकरण 1 8,9,16,17,18 का उपयोग करके मान प्राप्त करने के लिए।
      नोट: Equation 1 (समीकरण 1)
      जहां 2एच डीसीबी नमूने की मोटाई (मिमी) को दर्शाता है, बी नमूने की चौड़ाई को दर्शाता है, बी दरार खोलने वाले विस्थापन (सीओडी) अनुपालन (मिमी / एन) को दर्शाता है, पीसी लोड (एन) को दर्शाता है, और α1 (ए / 2एच) और (बी / 1) 1/3 के ढलान को दर्शाता है।

3. लैप-कतरनी (एलएस) परीक्षण के लिए एमएल माप

  1. एमएल माप के लिए प्रयोगात्मक सेटअप के लिए, एमएल पेंट-स्प्रे किए गए एलएस नमूने को मैकेनिकल परीक्षण मशीन19,20 पर माउंट करें, जैसा कि चित्रा 6 ए में दिखाया गया है।
  2. परीक्षण नमूने की प्रत्येक सतह के सामने कैमरे (एक सीसीडी या सीएमओएस कैमरा) रखें ताकि वे निगरानी के लिए दरार की नोक की स्थिति का सामना करें (चित्रा 6 ए)।
    नोट: एलएस परीक्षण नमूने एलएस परीक्षण19,20 के लिए अंतरराष्ट्रीय मानकों का पालन करना चाहिए। असमान सामग्री जोड़ों के मामले में, एलएस नमूनों की चार सतहों में से प्रत्येक पर अलग-अलग तनाव वितरण दिखाई देंगे। इस प्रकार, चार सतहों में से प्रत्येक पर उपयोग के लिए एक चार-तरफ़ा कैमरा सिस्टम या कम से कम दो-तरफ़ा कैमरा सिस्टम की सिफारिश की जाती है, जैसा कि चित्रा 6 ए में दिखाया गया है, प्रत्येक सतह पर 45 ° कोण पर प्रत्येक कैमरे के साथ दो सतहों को कैप्चर करने के लिए।
  3. लैप-कतरनी (एलएस) परीक्षण में एमएल अवलोकन करें।
    1. अंधेरे की स्थिति बनाए रखें।
    2. कैमरा रिकॉर्डिंग शर्तें सेट करें: रिकॉर्डिंग दर = 10-50 एफपीएस; एक्सपोजर समय = 0.02 एस या 0.1 एस; लाभ = अधिकतम।
    3. एमएल पेंट-स्प्रे किए गए डीसीबी नमूने को 1 मिनट के लिए हर कैमरे की दिशा से नीले एलईडी का उपयोग करके उत्तेजना के लिए 470 एनएम नीली रोशनी के साथ विकिरणित करें।
    4. नीली रोशनी विकिरण समाप्त करने से पहले कैमरा रिकॉर्डिंग 5 सेकंड शुरू करें।
    5. अंधेरे में 30 सेकंड तक प्रतीक्षा करें ताकि आफ्टरग्लो शांत हो जाए।
      नोट: एमएल सेंसिंग सामग्री और कैमरे के अनुसार सेटल-डाउन समय को बदला जा सकता है, विशेष रूप से रिकॉर्ड की गई फिल्मों में मेकानोल्यूमिनेसेंस और आफ्टरग्लो तीव्रता के संतुलन के संबंध में।
    6. एमएल छवियों (चित्रा 6 बी और मूवी 2) प्राप्त करने के लिए 1-5 मिमी / मिनट की लोडिंग दर के साथ एक यांत्रिक परीक्षण मशीन का उपयोग करके एक यांत्रिक लोड19,20 लागू करें।

4. एमएल माप और डेटा विश्लेषण के लिए जानकारी

  1. एमएल परीक्षण से पहले उत्तेजना करें।
    1. यद्यपि एमएल तीव्रता तनाव ऊर्जा के आनुपातिक है, एमएल तीव्रता धीरे-धीरे लोड चक्र 2,3,6,12 के अनुसार कम हो जाती है, जैसा कि चित्रा 7 ए में दिखाया गया है। इसलिए, प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य एमएल परिणाम उत्पन्न करने के लिए एमएल परीक्षण से पहले उत्तेजना करें, जैसा कि चरण 2.2.3 और चरण 3.2.3 में उल्लेख किया गया है।
  2. उच्च एमएल /एजी अनुपात के लिए प्रतीक्षा समय चुनें।
    नोट: एमएल सेंसर उत्तेजना के बाद आफ्टरग्लो (एजी) को लंबे समय तक लगातार फॉस्फोर के रूप में दिखाता है और लोड एप्लिकेशन के समय मेकानोल्यूमिनेसेंस दिखाता है, जैसा कि चित्रा 7 बी में दिखाया गया है।
    1. उत्तेजना के बाद प्रतीक्षा समय और कैमरे की स्थिति का चयन करें ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि एमएल / एजी (तथाकथित एमएल इंडेक्स) का अनुपात पर्याप्त रूप से अधिक है (जैसा कि चरण 2.2.4 और चरण 3.2.4 में उल्लेख किया गया है) क्योंकि आफ्टरग्लो एमएल पैटर्न (यानी, माप संकेत) 2,3,4 के खिलाफ आधार शोर के रूप में कार्य करता है।
  3. उच्चतम एमएल बिंदु निर्धारित करें।
    1. दरार टिप 8,9 के रूप में उच्चतम एमएल बिंदु के साथ स्थिति को पहचानकर दरार टिप की स्थिति निर्धारित करें।
      नोट: उच्चतम एमएल बिंदु दृश्य निरीक्षण, छवि प्रसंस्करण सॉफ्टवेयर, एक ऑटो-मॉनिटरिंग सिस्टम और एक एमएल मूवी के माध्यम से निर्धारित किया जा सकता है, जैसा कि पूरक चित्र 1 में दिखाया गया है।
  4. एक एमएल समोच्च छवि बनाएँ।
    1. यदि एमएल अंक और पैटर्न को अलग करना मुश्किल है, तो एक एमएल कंटूर छवि बनाएं और छवि प्रसंस्करण सॉफ्टवेयर का उपयोग करके एमएल कच्ची छवियों को परिवर्तित करके एमएल पैटर्न का उपयोग करें, जैसे कि इमेजजे ( सामग्री की तालिका देखें), जैसा कि चित्रा 8 में दिखाया गया है।

Representative Results

डीसीबी और एलएस परीक्षण के दौरान एमएल छवियों और फिल्मों को क्रमशः दो-तरफा और चार-तरफा कैमरों का उपयोग करके एकत्र किया गया था।

चित्रा 5 सी साइड व्यू में एमएल छवियों और फिल्मों को दिखाता है, जिसका उपयोग क्रैक टिप को पहचानने के लिए किया जा सकता है। इसके अलावा, शीर्ष दृश्य को डीसीबी परीक्षण के दौरान दरार प्रसार समय पर विफलता के मोर्चे को प्रतिबिंबित करने के लिए दिखाया गया है। इस मामले में, पालन करने वाले रेत-विस्फोट एल्यूमीनियम (ए 5052, सामग्री की तालिका देखें) थे, चिपकने वाला एपॉक्सी चिपकने वाला के दो घटकों से बना था, और ज्यामिति अंतरराष्ट्रीय मानकों का अनुपालन करती थी। साइड व्यू में एमएल व्यवहार के बारे में, इस बिंदु पर तनाव एकाग्रता के कारण प्रारंभिक दरार की स्थिति में तीव्र मेकानोल्यूमिनेसेंस देखा गया था। इसके बाद, एमएल बिंदु का आंदोलन, जो दरार की नोक को दर्शाता है, दरार प्रसार समय पर चिपकने वाली परत पर देखा गया था। डीसीबी परीक्षण में एमएल छवियों का उपयोग करते हुए, दरार प्रसार के दौरान दरार टिप की स्थिति को परिभाषित किया गया था और दरार प्रसार लंबाई (ए) और संबंधित फ्रैक्चर क्रूरता, जी 1 सी, मूल्य की गणना करने के लिए उपयोग किया गया था, जैसा कि चरण 2.2.7 में समझाया गया है।

चित्रा 6 बी एलएस परीक्षण के दौरान एमएल समोच्च छवियों और फिल्मों को दिखाता है। छवियों और फिल्मों को चार-तरफा कैमरा सिस्टम का उपयोग करके रिकॉर्ड किया गया था। इस मामले में, पालन करने वाले रेत-विस्फोट एल्यूमीनियम (ए 5052) थे, और चिपकने वाला एक दो-घटक एपॉक्सी चिपकने वाला था। चित्रा 6 बी स्पष्ट रूप से एकल-लैप चिपकने वाले जोड़ की विनाश प्रक्रिया के दौरान यांत्रिक व्यवहार पर जानकारी प्रदान करता है। संक्षेप में, तीव्र मेकेनोल्यूमिनेसेंस पहली बार चिपकने वाले बंधे और चहेते क्षेत्रों के किनारों पर देखा गया था। दूसरा, एमएल बिंदु चिपकने वाले किनारों से चिपकने वाली परत के साथ केंद्र में चले गए ताकि एमएल छवि के बाएं और दाएं दृश्यों में एक साथ दिखाई दिया जा सके। अंत में, केंद्र में दो एमएल बिंदुओं के संयोजन के बाद, चिपकने वाली परत में केंद्र बिंदु पर तीव्र मेकानोल्यूमिनेसेंस देखा गया था। एलएस परीक्षण में एमएल छवियों का उपयोग विनाश प्रक्रिया के दौरान चिपकने वाले जोड़ों के यांत्रिक व्यवहार को समझने के लिए किया जा सकता है, जिसे अनुकरण करना मुश्किल है।

Figure 1
चित्र 1: एमएल सेंसर के गुण। (ए) मिसेस स्ट्रेन वितरण के छेद और संख्यात्मक विश्लेषण (सिमुलेशन) के साथ स्टेनलेस स्टील प्लेट के लिए तन्यता भार के तहत मेकानोल्यूमिनेसेंस। (बी) यांत्रिक भार, कंपन और प्रभाव के अनुप्रयोग के तहत उत्पादों, संरचनात्मक सामग्री और 3 डी प्रिंटिंग सामग्री के गतिशील 2 डी / 3 डी यांत्रिक व्यवहार की कल्पना करने के लिए एमएल दृश्य संवेदन के उदाहरण। "एफ" वाले तीर यांत्रिक भार के तहत बल की दिशा को इंगित करते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 2
चित्रा 2: विभिन्न अंतरराष्ट्रीय स्तर पर मानकीकृत चिपकने वाला मूल्यांकन परीक्षणों के लिए एमएल दृश्य संवेदन। ये मानक चिपकने वाली ताकत के विभिन्न सूचकांक प्राप्त करने के तरीकों का वर्णन करते हैं, जैसे फ्रैक्चर क्रूरता ऊर्जा (जीसी), तन्यता कतरनी शक्ति (टीएसएस), छिलके की ताकत, और क्रॉस तनाव शक्ति (सीटीएस)। तीर यांत्रिक भार के तहत बल की दिशा को इंगित करते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 3
चित्र 3: एमएल सेंसर पेंट लागू करना। (ए) एमएल पेंट और स्प्रे डिब्बे के उदाहरण और (बी) छिड़काव की एक तस्वीर। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 4
चित्र 4: एमएल पेंट-स्प्रे किए गए नमूनों का चित्रण। (A) एक DCB नमूना और (B) एक LS नमूना। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 5
चित्रा 5: डीसीबी परीक्षण के दौरान एमएल माप। (ए) प्रयोगात्मक सेटअप की तस्वीर और (बी) कैमरे की स्थिति का चित्रण। (सी) डीसीबी परीक्षण के दौरान एमएल माप। सीएएम 1 और सीएएम 2 चरण 2.1.2 में वर्णित सीसीडी कैमरा को दर्शाते हैं। तीर यांत्रिक भार के तहत बल की दिशा को इंगित करते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 6
चित्र 6: एलएस परीक्षण के दौरान एमएल माप। (ए) प्रायोगिक सेटअप और (बी) एमएल माप चार-तरफा कैमरा सिस्टम का उपयोग करके एलएस परीक्षण के दौरान। तीर यांत्रिक भार के तहत बल की दिशा को इंगित करते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 7
चित्र 7: नियोजित एमएल सेंसर के मूल गुण। (A) लोड चक्रों में ML तीव्रता और (B) एमएल और एजी तीव्रता और नीले एलईडी का उपयोग करके उत्तेजना के बाद प्रतीक्षा समय के बीच संबंध। इनसेट समय-प्रकाश वक्र में एमएल और एजी तीव्रता की परिभाषा को दर्शाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 8
चित्र 8: एमएल छवियों में एमएल अभिव्यक्ति की तुलना। (ए) 12-बिट ग्रेस्केल में कच्ची छवि और (बी) समोच्च छवि। "एफ" वाले तीर यांत्रिक भार के तहत बल की दिशा को इंगित करते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

मूवी 1: डीसीबी परीक्षण के दौरान एमएल मूवी। रिकॉर्डिंग दर: 1 एफपीएस। कृपया इस मूवी को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

मूवी 2: एलएस परीक्षण के दौरान एमएल फिल्म। रिकॉर्डिंग दर: 25 एफपीएस। कृपया इस मूवी को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

पूरक चित्रा 1: उच्चतम एमएल तीव्रता के बिंदु की स्थिति को अलग करने के तरीके। (ए) दृश्य निरीक्षण, (बी) छवि प्रसंस्करण सॉफ्टवेयर, और (सी) ऑटो निगरानी प्रणाली। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Discussion

साइड व्यू से देखे गए एमएल व्यवहार के संदर्भ में, प्रारंभिक दरार (चित्रा 5 सी) के सिरे पर तनाव एकाग्रता से उत्पन्न तीव्र मेकानोल्यूमिनेसेंस दर्ज किया गया था। इसके बाद, दरार प्रसार समय पर चिपकने वाली परत के साथ एमएल बिंदु की गति देखी गई, जो दरार की नोक को दर्शाती है। पिछले अध्ययनों में, सूक्ष्म अवलोकनों से पता चला है कि उच्चतम एमएल बिंदु दरार टिप से केवल 0-20 μm आगे था और इसे क्रैक टिप स्थिति8 के संदर्भ के रूप में अपनाया जा सकता है। पारंपरिक विधि में, दरार टिप को दृश्य निरीक्षण के माध्यम से पहचाना जाता है, लेकिन यह क्रैक टिप के छोटे आकार के कारण मानव त्रुटि की एक महत्वपूर्ण मात्रा की ओर जाता है, यहां तक कि आवर्धक ग्लास का उपयोग करते समय भी। विशेष रूप से, डीसीबी परीक्षण के दौरान दरार की नोक की स्थिति को चिह्नित करने के लिए धैर्य की आवश्यकता होती है, जो बदले में, कई मिनटों की आवश्यकता होती है, विशेष रूप से संरचनात्मक चिपकने वाले जोड़ों के लिए 16,17,18। इसलिए, डीसीबी परीक्षण में एमएल विज़ुअलाइज़ेशन स्वचालित रूप से और उच्च परिशुद्धता के साथ क्रैक टिप की स्थिति की पहचान करने के लिए महत्वपूर्ण है। इससे पहले, शीर्ष दृश्य पर एमएल लाइन की स्थिति और आकार को चिपकने वाली परत9 में दरार विफलता फ्रंट लाइन के साथ सिंक्रनाइज़ करने के लिए दिखाया गया था। इसलिए, पालन के शीर्ष दृश्य में एमएल सेंसिंग का उपयोग पालन की बाहरी सतह से आंतरिक दरारों के संकेतक के रूप में किया गया था।

हालांकि, इस विधि की सीमाओं में अंधेरे परीक्षण वातावरण और कई मिनटों में डीसीबी परीक्षण के दौरान एमएल और एजी तीव्रता में कमी शामिल है, जैसा कि चित्रा 7 बी में दिखाया गया है। यह एक अस्पष्ट एमएल बिंदु और एजी पैटर्न की ओर जाता है, जो क्रमशः दरार टिप और नमूना ज्यामिति को दर्शाता है। इस सीमा को दूर करने के लिए, इन्फ्रारेड प्रकाश, जैसे कि 850 एनएम की तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश जो एसआरएल2ओ4: ईयू2 + एमएल सामग्री को प्रभावित नहीं करता है, का उपयोग नमूना9 की स्थिति को स्पष्ट करने के लिए डीसीबी परीक्षण के दौरान डीसीबी नमूने को विकिरणित करने के लिए किया गया था। वैकल्पिक रूप से, 470 एनएम पर नीली रोशनी का उपयोग डीसीबी परीक्षण 2,9 के दौरान भी एमएल और एजी तीव्रता को पुनर्प्राप्त करने के लिए हर 5 मिनट या 10 मिनट में 1 सेकंड के लिए नमूना को रोशन करने के लिए किया जाता है, जैसा कि चित्रा 7 ए में समझाया गया है।

एलएस परीक्षण के दौरान एमएल कंटूर छवियों और फिल्मों को चार-तरफा कैमरा सिस्टम (चित्रा 6 सी) का उपयोग करके रिकॉर्ड किया गया था। इस मामले में, पालन करने वाले रेत-विस्फोट एल्यूमीनियम (ए 5052) थे, और चिपकने वाला एक दो-घटक एपॉक्सी चिपकने वाला था। तन्यता कतरनी शक्ति (टीएसएस) मूल्य 23 एमपीए था, जिसकी गणना तन्यता भार और चिपकने वाले बंधुआ क्षेत्र (मिमी2) के तहत टूटने पर लोड मान (एन) का उपयोग करके की गई थी। इसके अलावा, टीएसएस मूल्य को संरचनात्मक चिपकने वाले जोड़18 की ताकत के संकेतक के रूप में माना जा सकता है। यद्यपि टीएसएस मूल्य आमतौर पर चिपकने वाली ताकत के सूचकांक के रूप में उपयोग किया जाता है, पृष्ठभूमि भौतिक गुण, जैसे यांत्रिक व्यवहार, जो संयुक्त डिजाइन में सुधार के लिए महत्वपूर्ण हैं, की जांच नहीं की गई थी।

एमएल छवियों ने स्पष्ट रूप से एकल-लैप चिपकने वाले जोड़ (चित्रा 6 सी) की विनाश प्रक्रिया के दौरान यांत्रिक व्यवहार पर जानकारी प्रदान की। संक्षेप में, तीव्र मेकेनोल्यूमिनेसेंस को पहली बार चिपकने वाले बंधे और चहे हुए क्षेत्र के किनारे पर देखा गया था, जो एलएस परीक्षण के शुरुआती चरण में तनाव एकाग्रता को दर्शाता है। दूसरा, एमएल बिंदु दोनों चिपकने वाले किनारों से चिपकने वाली परत के साथ केंद्र में चले गए ताकि एमएल छवियों के बाएं और दाएं दृश्यों में एक साथ दिखाई दिया जा सके। यह चिपकने वाली परत के साथ कतरनी तनाव और दरार प्रसार को इंगित करता है, जो इस मामले में एकजुट विफलता (सीएफ) को दर्शाता है।

इसके अतिरिक्त, सामने और पीछे के दृश्यों में एमएल लाइनों ने दरार प्रसार की घटना का संकेत दिया, जो डीसीबी परीक्षण के समान घटना है। अंत में, केंद्र में संयुक्त दो एमएल बिंदुओं के बाद, चिपकने वाली परत में केंद्र बिंदु पर तीव्र मेकानोल्यूमिनेसेंस देखा गया था। इसने चिपकने वाली परत में तनाव एकाग्रता और चिपकने वाली परत में एक अनुप्रस्थ दरार की बाद की पीढ़ी का संकेत दिया, जैसा कि पिछले काम11 में था। तनाव एकाग्रता के स्थान को निर्धारित करने के लिए यह जानकारी उपयोगी है। इसलिए, इसका तात्पर्य है कि एक मजबूत और विश्वसनीय संयुक्त डिजाइन प्राप्त करने के लिए तनाव फैलाव में सुधार की आवश्यकता है।

डीसीबी परीक्षण के विपरीत, एलएस परीक्षण चिपकने वाले जोड़ों के उच्च गति टूटने का कारण बनता है। एलएस परीक्षण चिपकने वाली परत में एक उच्च तनाव दर उत्पन्न करता है, जिसके बाद अत्यधिक तीव्र मेकेनोल्यूमिनेसेंस होता है जो रिकॉर्ड की गई एमएल छवि में संतृप्त होता है, एक छवि में कई घटनाओं को जमा करता है, और एक अस्पष्ट एमएल छवि पैदा करता है। इन मामलों में, रिकॉर्डिंग दर के एक स्मार्ट विकल्प का उपयोग समस्या निवारण के लिए किया जा सकता है (उदाहरण के लिए, उच्च रिकॉर्डिंग दर का चयन करना, जैसे कि 25 एफपीएस, जो एलएस परीक्षण में घटना की गति को फिट करता है)11।

Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

इस शोध को नई ऊर्जा और औद्योगिक प्रौद्योगिकी विकास संगठन (एनईडीओ) द्वारा कमीशन की गई एक अग्रणी परियोजना और एनईडीओ द्वारा कमीशन किए गए अंतर्राष्ट्रीय सहयोग (जेपीएनपी 20005) के माध्यम से अभिनव स्वच्छ ऊर्जा प्रौद्योगिकियों को बढ़ावा देने के लिए अनुसंधान और विकास कार्यक्रम द्वारा समर्थित किया गया था। एनटी पूरक चित्र 1 में उच्चतम एमएल तीव्रता के बिंदुओं को अलग करने के लिए ऑटो-मॉनिटरिंग सॉफ्टवेयर प्रदान करने के लिए शिमाडज़ू कंपनी का आभारी है। एमएल परीक्षण के लिए एमएल पेंट का छिड़काव करने के लिए एन टी सुश्री वाई नोगामी और सुश्री एच कवाहारा के आभारी हैं। इसके अतिरिक्त, एन.टी. 4 डी विजुअल सेंसिंग टीम (एआईएसटी) में एमएल माप और विश्लेषण में सहायता के लिए सुश्री वाई काटो, सुश्री एम इसेकी, सुश्री वाई सुगावा, सुश्री सी हीराकावा, सुश्री वाई साकामोतो और सुश्री एस सानो के आभारी हैं।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Aluminum plate Engineering Test Service Co.,Ltd. A5052  A5052 is defined name as quality of aluminum in standards.
Blue LED MORITEX Co. MBRL-CB13015
Camera Baumer TXG04 or VLU-12 CCD or CMOS
Coating thickness gauge  KETT LZ-373
Epoxy adhesive Nagase ChemteX Co. Denatite2202 structual adehsive
ImageJ National Institutes of Health Image J 1.53K Image processing software
Mechanical testing machine  SHIMADZU Co. EZ Test EZ-LX
Mechanoluminescnet (ML) paint Sakai Chemical Industry Co. Ltd. ML-F2ET3 The ML paint in 1.1  is 2 components epoxy paint , and consisting of epoxy main reagent and curing reagent as described in 1.2.1.  SrAl2O4:Eu2+ ML ceramic perticle is including in main epoxy reagent.
Microscope keyence VHX-6000
Stainless steel  plate Engineering Test Service Co.,Ltd. SUS631 A631 is defined name as quality of stainless steel in standards.
Viscometer Sekonic. Co. Viscomate VM-10A

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References

  1. Xu, C. -N., Watanabe, T., Akiyama, M., Zheng, X. -G. Direct view of stress distribution in solid by mechanoluminescence. Applied Physics Letters. 74 (17), 2414-2417 (1999).
  2. Xu, C. -N., Ueno, N., Terasaki, N., Yamada, H. Mechanoluminescence and Novel Structural Health Diagnosis. NTS Inc. , (2012).
  3. Terasaki, N. Innovative first step toward mechanoluminescent ubiquitous light source for trillion sensors. Sensors and Materials. 28 (8), 827-836 (2016).
  4. Feng, A., Smet, P. F. A review of mechanoluminescence in inorganic solids: Compounds, mechanisms, models and applications. Materials. 11 (4), 484 (2018).
  5. Terasaki, N., Xu, C. -N. Mechanoluminescence recording device integrated with photosensitive material and europium-doped SrAl2O4. Japanese Journal of Applied Physics. 48, (2009).
  6. Terasaki, N., Xu, C. -N. Historical-log recording system for crack opening and growth based on mechanoluminescent flexible sensor. IEEE Sensors Journal. 13 (10), 3999-4004 (2013).
  7. Terasaki, N., Fujio, Y., Sakata, Y. Visualization of strain distribution and portent of destruction in structural material through mechanoluminescence. 35th International Committee on Aeronautical Fatigue and Structural Integrity (ICAF) Conference and 29th ICAF Symposium (ICAF. 75, 1961-1967 (2017).
  8. Terasaki, N., Fujio, Y., Sakata, Y., Horiuchi, S., Akiyama, H. Visualization of crack propagation for assisting double cantilever beam test through mechanoluminescence). The Journal of Adhesion. 94 (11), 867-879 (2018).
  9. Terasaki, N., Fujio, Y., Horiuchi, S., Akiyama, H. Mechanoluminescent studies of failure line on double cantilever beam (DCB) and tapered-DCB (TDCB) test with similar and dissimilar material joints. International Journal of Adhesion and Adhesives. 93, 40-46 (2019).
  10. Terasaki, N., Fujio, Y., Horiuchi, S., Akiyama, H., Itabashi, M. Mechanoluminescent study for optimization of joint design on cross tension test. The Journal of Adhesion. 98 (6), 637-646 (2022).
  11. Terasaki, N., Fujio, Y., Sakata, Y., Uehara, M., Tabaru, T. Direct visualization of stress distribution related to adhesive through mechanoluminescence. ECS Transactions. 75 (45), 9-16 (2017).
  12. Terasaki, N., Ando, N., Hyodo, K. Mechanoluminescence visual inspection of micro-crack generation through fatigue process in flexible electronics film. Japanese Journal of Applied Physics. 61, (2022).
  13. Terasaki, N., Xu, C. -N., Yasuda, K., Ichinose, L. Fatigue crack detection of steel truss bridge by using mechanoluminescent sensor. Proceedings of Sixth International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management (IABMAS). 6, 2542-2549 (2012).
  14. Fujio, Y., et al. Sheet sensor using SrAl2O4: Eu mechanoluminescent material for visualizing inner crack of high-pressure hydrogen vessel). International Journal of Hydrogen Energy. 41 (2), 1333-1340 (2015).
  15. Da Silva, L. F. M., Öchsner, A., Adams, R. Handbook of Adhesion Technology., 2nd edition. , Springer. Cham, Switzerland. (2018).
  16. International Organization for Standardization. ISO 22838:2020. Composites and reinforcements fibres - Determination of the fracture energy of bonded plates of carbon fibre reinforced plastics (CFRPs) and metal using double cantilever beam specimens. International Organization for Standardization. , (2020).
  17. International Organization for Standardization. ISO 25217:2009. Adhesives - Determination of the mode 1 adhesive fracture energy of structural adhesive joints using double cantilever beam and tapered double cantilever beam specimens. International Organization for Standardization. , (2009).
  18. International Organization for Standardization. ISO 15024:2001. Fibre-reinforced plastic composites - Determination of mode I interlaminar fracture toughness, GIC, for unidirectionally reinforced materials. International Organization for Standardization. , (2001).
  19. International Organization for Standardization. ISO 4587:2003. Adhesives-Determination of tensile lap-shear strength of rigid-to-rigid bonded assemblies. International Organization for Standardization. , (2003).
  20. International Organization for Standardization. ISO 22841:2021. Composites and reinforcements fibres-Carbon fibre reinforced plastics(CFRPs) and metal assemblies-Determination of the tensile lap-shear strength. International Organization for Standardization. , (2021).
  21. International Organization for Standardization. ISO/CD 8065. Composites and reinforcements fibres - Mechanoluminescent visualization method of crack propagation for joint evaluation. International Organization for Standardization. , (2022).
  22. Azad, A. I., Rahimi, M. R., Yun, G. J. Quantitative full-field strain measurements by SAOED (SrAl2O4:Eu2+,Dy3+) mechanoluminescent materials. Smart Material Structure. 25 (9), 095032 (2016).

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इंजीनियरिंग अंक 191
संयुक्त मूल्यांकन के लिए क्रैक प्रसार का मेकानोल्यूमिनेसेंट विज़ुअलाइज़ेशन
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Terasaki, N., Fujio, Y.… More

Terasaki, N., Fujio, Y. Mechanoluminescent Visualization of Crack Propagation for Joint Evaluation. J. Vis. Exp. (191), e64118, doi:10.3791/64118 (2023).

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