セラミックマトリックス複合材料とその曲げ特性

1. プレーンな石膏サンプルを1つ作る

1. インストラクターから青いゴム型を入手します。各金型は3つの棒状のサンプルを作ることができ、各棒のサイズは幅のおよそ26のmm、長さ43のmmおよび厚さの10のmmである。
2. 紙コップに乾燥石膏パウダーの40グラムの重量を量る。ゆっくりと20mlの脱イオン水を加え、滑らかな一貫性が得られるまで、木製の棒でスラリーをかき混ぜます。すぐにステップ3に進んでください!石膏は~5分で硬化し始めます。
3. 得られたスラリーを金型のコンパートメントの1つに注ぎます。金型を完全に充填し、木製のスティックでそれを滑らかにします。カップと余分な石膏を捨てる。将来の使用のためにスティックを維持します。

2. 2 つの複合サンプルの作成

1. チョップドファイバー補強で作られたサンプルを準備します。
   a.)紙コップに刻んだガラス繊維の4グラムの重量を量る。
   b.)同じカップに石膏粉末の40グラムの重量を量る。
   c.)ゆっくりと20mlの脱イオン水を加え、木の棒でスラリーをかき混ぜ、繊維が完全に混入するまで、滑らかな一貫性が得られます。
   d.) スラリーを金型コンパートメントの1つに注ぎます。金型を完全に充填し、木製のスティックでそれを滑らかにします。
2. グラスファイバーテープで作られたサンプルを準備します。
   a.) ファイバーグラステープ2本、長さ約5インチをカットします。ストリップの重さを量ります。
   b.) 乾いた石膏パウダーの40グラムを紙コップに入れます。ゆっくりと20mlの脱イオン水を加え、滑らかな一貫性が得られるまでスラリーをかき混ぜます。
   c.) 石膏の約3分の1を金型に注ぎます。石膏の上にグラスファイバーテープの1枚のストリップを置き、木製の棒でそれを押し下ろします。石膏がファイバーグラステープを十分に濡らしていることを確認してください。
   d.) グラスファイバーテープの上に残りの石膏の約半分を注ぎます。石膏の上にテープの2番目のストリップを置き、木製の棒でそれを押し下げ。
   e.)2番目のストリップの上に石膏の残りの部分を注ぎ、木製のスティックでそれを押し下げ。石膏がファイバーグラステープを十分に濡らし、気泡を絞り出してください。

3. 実験の実行

1. 3点試験器具の各棒測定L(下図のスパン長さ)の平均長さ、厚さ、幅を測定し、測定に校正キャリパーを使用します。
2. すべてのテストに 5 mm/min の変位速度を使用します。(UTM はゼロにし、5mm/分の変位速度で開始する必要があります)。プレーン石膏と刻んだ繊維サンプルの場合は、サンプルが失敗するまでテストを実行します。グラスファイバーテープサンプルの場合は、たわみが6mmになるまでテストを実行します。
3. コンピュータのLabVIEWプログラムを使用して、各テストのデータをテキストファイルに収集します。

4. MATLABプログラム

1. 次の処理を行う MATLAB プログラムを作成します。
2. 単一の列テキスト ファイルを読み取り、読み取り値を強制的なデータと偏向データに分離します。次の変換係数を使用して、生データを強制および偏向に変換します。
   力 = (ロードセル最大値 / 30000) * UTM によって生成された数値 (2)
   たわみ = 0.001mm * UTM によって生成される数値 (3)
3. 各サンプルの曲げ強度と曲げひずみを計算します。
   曲げ強度σ_f = (3FL)/(2wt²) (4)
   曲げひずみε_f = (6Dt)/(L²) (5)
4. 各サンプルの応力-ひずみ曲線をプロットします。ε_fを横軸にし、σ_fを縦軸にします。
5. 各サンプルの最大 σ_f値と ε_f値を求めます。複合サンプルの場合は、最大 σ_f値に対応する ε_f値を選択します。
6. 弾性領域の曲線の傾きを計算して、曲げ弾性率 E_fを見つけます。
7. 各応力-ひずみ曲線の下の領域を見つけます。

5. データ分析

1. 複合試料の曲げ強度と弾性率と平野石膏試料の比
   UTM は、力と偏向の両方で単一の列テキスト ファイルを生成するため、MATLAB インターフェイスは対応する値を異なる配列に並べ替える必要があります。したがって、方程式 4および5に必要な力と偏向の両方を決定するには、方程式 2と3を MATLAB に実装する必要があります。
   ロードセル最大1000を使用して、曲げ強度とひずみの決定は、すべての方程式の組み合わせです。MATLABは各サンプルの応力-ひずみ曲線も生成するので、弾性率は弾性領域の傾きを計算することによって確認された。方程式6を使用すると、応力-ひずみプロットで選択した 2 つの点に対して曲げ係数が計算されます。
   (6)
   サンプルデータを調べると、異なる形態の補強が加えられると、サンプルの強度が増加し、ファイバーグラステープが最大の強度を提供することがわかります。延性の点では、ファイバーグラステープ強化標本も同様に最も大きくなる(「最も塑性変形可能」と考えることができる)。
   また、繊維の長さと向きは、複合サンプルの特性に大きな影響を与えます。例えば、最大補強は、ファイバーグラステープが試料の表面に平行に設定されている場合にのみ達成することができる。そうすることで、この空間的な向きは、石膏マトリックスが失敗した場合に、ファイバーグラステープが追加の力に耐えることができます。さらに、ファイバーグラステープの長いストリップは、短いストリップよりも多くの強度を提供することが証明されると結論付けることができます。長い部分は、グラスファイバー補強を取り巻くより多くの石膏があるので、3点曲げ試験の条件下で最大の牽引を可能にします。
2. 結合試験時のエネルギー吸収
   応力-ひずみ曲線の下の領域は、材料が故障前に吸収するエネルギーを表します。我々が達成する結果によれば、グラスファイバー強化標本が最大のエネルギーを吸収することが示される。また、靭性は破砕することなくエネルギーや塑性変形を吸収する材料の能力に相当するので、グラスファイバーサンプルは、エネルギーの最大量を吸収することによって最も延性であることが判明しました。グラスファイバーの標本は本質的に3つの中で最も堅いです。したがって、靭性は強度と延性のバランスであり、グラスファイバーサンプルは応力ひずみ曲線の下に最も大きな面積を持っていました。
3. 「混合のルール」式を用いたチョップドファイバーおよびファイバーグラステープ複合材料の理論強度の計算(関連する材料特性を表1に記載)。
   複合材料の理論強度は、式 1 を使用して計算できます。
   V_F = 繊維の体積分率 = (繊維の体積)/(サンプルの総体積)
   繊維の体積= (繊維の質量)/(繊維の密度)
   石膏の体積分率 = V_P = 1- V_F .

	密度、グラム/ミリリットル	曲げ強度、MPa
チョップドガラス繊維	2.5	35
ファイバーグラステープ	0.45	35
石膏	Na	Na

表 1.材料特性。