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接合評価のためのき裂進展のメカノルミネッセンス可視化
接合評価のためのき裂進展のメカノルミネッセンス可視化
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JoVE Journal Engineering
Mechanoluminescent Visualization of Crack Propagation for Joint Evaluation

接合評価のためのき裂進展のメカノルミネッセンス可視化

Full Text
6,067 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)

AI Banner

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.

この研究では、接着接合部評価試験中の亀裂伝播と機械的挙動を監視するためのメカノルミネッセンス(ML)視覚化の使用を説明するプロトコルを提示します。

メカノルミネッセンスセンシングの結果誤差を活用するために、メカノルミネッセンスセンサの準備、測定環境の種類、再現性のために採用すべき記録条件を示す。この方法の利点は、本来直接定量化することが困難な亀裂先端や強度、応力分布、機械的刺激の濃度を直接可視化できることです。このプロトコルは、接着剤評価テスト中の機械的情報の視覚化に焦点を当てています。

また、構造、構造材料、および接合部の構造ヘルスモニタリング、設計、および機械的刺激にも利用できます。MLペイントをスプレーする手順を実演するのは野上由美です。また、DCBとラップシアテストには、私の研究室の技術的なスタッフである須川若菜、平川千恵子、井関麻衣子、坂本洋子がいます。

まず、ダブルカンチレバービーム(DCB)の前処理面にエアスプレーまたはスプレー缶でメカノルミネッセンス塗料を塗布して試験片を準備します。次に、メカノルミネッセンス塗料を溶射した試料を特殊なジグを用いて機械試験機に取り付け、メカノルミネッセンス測定の実験セットアップを行います。監視する亀裂先端の位置を向いた各試験片面の前にカメラを配置します。

次に、カメラの状態をチェックして、機械的テストの推定測定時間中に残光を記録できることを確認します。DCBテストでメカノルミネッセンス観察を行うには、カメラの録画レートを1秒あたり1〜2フレーム、露光時間を0.5または1秒に設定し、ゲインを最大に設定します。次に、DCB試料を吹き付けたメカノルミネッセンス塗料に470ナノメートルの青色光を、カメラ全方向から青色LEDを用いて1分間照射して励起する。

青色光の照射が終了する5秒前にカメラの録画を開始します。残光が落ち着くように、標本を1分間暗所に保ちます。次に、機械試験機を用いて毎分1ミリメートルの荷重速度で機械的荷重を加え、メカノルミネッセンス画像を取得します。

メカノルミネッセンス塗料溶射試験片における亀裂進展時のメカノルミネッセンス点から求められる亀裂先端位置の情報を用いて亀裂長さを算出し、この式を用いてキロジュール/平方メートルで表される破壊靭性G1Cを求めた。ラップシア試験でメカノルミネッセンス観察を行うには、カメラの録画レートを毎秒10〜50フレーム、露光時間を0.02または0.1秒に設定し、ゲインを最大に設定します。次に、メカノルミネッセンス塗料をスプレーしたDCB試料に470ナノメートルの青色光を照射し、カメラの録画を開始し、前述のように暗所で待ちます。

毎分1〜5ミリメートルの荷重速度で機械的荷重を加えて、メカノルミネッセンス画像を取得します。DCB試験中に記録されたメカノルミネッセンス挙動は、ひずみ集中による初期亀裂の位置に強いメカノルミネッセンスを示した。Lap-Shear試験中に記録されたメカノルミネッセンス挙動は、最初にラップされた領域で接着された接着剤の端で強いメカノルミネッセンスを示し、次にメカノルミネッセンスポイントが接着エッジから中央に移動し、中心点に強いメカノルミネッセンスが見られました。

覚えておくべき最も重要なことは、メカノルミネッセンスセンサーフィルムの性能のバランスです。機械的侵食までの待機時間と記録条件。軽量構造のジョイントおよび複合材料は、機械的挙動をシミュレートするのが難しい部品として知られています。

メカノルミネッセンス視覚センシング法は、適切な設計と予測を読み取るための現実的で正しい答えを提供します。

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エンジニアリング 第191号

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