Name: bone-inspired ceramic composites in bending
Uploaded: 2023-04-30T07:06:08.000Z
Duration: 9 min 59 s
Channel: JoVE

1. Wykonanie jednej próbki tynku zwykłego
<ol>
	<li>Zdobądź niebieską gumową formę od instruktora. Każda forma może wykonać 3 próbki w kształcie pręta, rozmiar każdego pręta wynosi około 26 mm szerokości, 43 mm długości i 10 mm grubości. </li>
	<li>Zważ 40 gramów suchego proszku gipsowego do papierowego kubka. Powoli dodawaj 20 ml wody dejonizowanej i mieszaj zawiesinę drewnianym patyczkiem, aż do uzyskania gładkiej konsystencji. Przejdź od razu do kroku 3! Tynk zaczyna twardnieć w ciągu ~5 minut. </li>
	<li>Wlej powstałą zawiesinę do jednej z komór formy. Całkowicie napełnij formę i wygładź ją drewnianym patyczkiem. Wyrzuć kubek i nadmiar tynku; Zachowaj kij do wykorzystania w przyszłości. </li>
</ol>
2. Wykonanie dwóch próbek kompozytowych
<ol>
	<li>Przygotuj próbkę wykonaną ze wzmocnionego ciętymi włóknami: 
	a.) Zważ 4 gramy posiekanych włókien szklanych do papierowego kubka. 
	b.) Zważ 40 gramów proszku gipsowego do tego samego kubka. 
	c.) Powoli dodawaj 20 ml wody dejonizowanej i mieszaj gnojowicę drewnianym patyczkiem, aż włókna zostaną dokładnie wymieszane i uzyskasz gładką konsystencję. 
	d.) Wlej gnojowicę do jednej z komór formy. Całkowicie napełnij formę i wygładź ją drewnianym patyczkiem. </li>
	<li>Przygotuj próbkę wykonaną taśmą z włókna szklanego: 
	a.) Wytnij 2 paski taśmy z włókna szklanego o długości około 5 cali. Zważ paski. 
	b.) Zważ 40 gramów suchego proszku gipsowego do papierowego kubka. Powoli dodawaj 20 ml wody dejonizowanej i mieszaj zawiesinę, aż do uzyskania gładkiej konsystencji. 
	c.) Wlej około jednej trzeciej tynku do formy. Umieść jeden pasek taśmy z włókna szklanego na wierzchu tynku i dociśnij go drewnianym patyczkiem. Upewnij się, że tynk dokładnie zwilża taśmę z włókna szklanego. 
	d.) Wlej około połowy pozostałego tynku na wierzch taśmy z włókna szklanego. Umieść drugi pasek taśmy na wierzchu tynku i dociśnij go drewnianym patyczkiem. 
	e.) Wylej resztę tynku na drugi pasek i dociśnij go drewnianym patyczkiem. Upewnij się, że tynk dokładnie zwilża taśmę z włókna szklanego i wyciśnij wszelkie pęcherzyki powietrza. </li>
</ol>
3. Przeprowadzanie eksperymentów
<ol>
	<li>Zmierz średnią długość, grubość i szerokość każdego pręta Zmierz L (długość rozpiętości na poniższym rysunku) na 3-punktowym uchwycie testowym, do pomiaru użyj skalibrowanych suwmiarek. </li>
	<li>Do wszystkich testów należy stosować prędkość przemieszczenia 5 mm/min. (UTM należy wtedy wyzerować i zainicjować przy prędkości przemieszczenia 5mm/min). W przypadku zwykłego tynku i próbki pociętego włókna należy uruchamiać test, aż próbka zakończy się niepowodzeniem. W przypadku próbki taśmy z włókna szklanego uruchom test, aż ugięcie wyniesie 6 mm.</li>
	<li>Użyj programu LabVIEW na komputerze, aby zebrać dane z każdego testu do pliku tekstowego. </li>
</ol>
4. Program MATLAB
<ol>
	<li>Utwórz program MATLAB, który wykona następujące czynności:</li>
	<li>Odczytaj jednokolumnowy plik tekstowy i podziel odczyty na dane dotyczące siły i ugięcia. Przekształć surowe dane w siłę i ugięcie, używając następujących współczynników konwersji: 
	Siła = (maksymalna wartość ogniwa obciążnikowego / 30000) * Liczba wygenerowana przez UTM (2) 
	Ugięcie = 0,001 mm * liczba wygenerowana przez UTM (3)</li>
	<li>Oblicz wytrzymałość na zginanie i odkształcenie przy zginaniu każdej próbki: 
	Wytrzymałość na zginanie σf = (3FL)/(2wt2) (4) 
	Odkształcenie zginające εf = (6Dt)/(L2) (5)</li>
	<li>Wykreślić krzywą naprężenie-odkształcenie dla każdej próbki. Niech εf będzie osią poziomą, a σf będzie osią pionową. </li>
	<li>Znajdź maksymalne wartości σf i εf dla każdej próbki. W przypadku próbek złożonych wybierz wartość εf odpowiadającą maksymalnej wartości σf. </li>
	<li>Znajdź moduł sprężystości przy zginaniu Ef, obliczając nachylenie krzywej w obszarze sprężystym. </li>
	<li>Znajdź obszar pod każdą krzywą naprężenie-odkształcenie. </li>
</ol>
5. Analiza danych
<ol>
	<li>Porównanie wytrzymałości i modułu wytrzymałości na zginanie próbek kompozytowych z próbką gipsu zwykłego 
	Ponieważ UTM generuje jednokolumnowy plik tekstowy, zarówno dla siły, jak i ugięcia, interfejs MATLAB musi posortować odpowiednie wartości w różne tablice. Tak więc, aby określić zarówno siłę, jak i ugięcie potrzebne do Równania 4 i 5, Równania 2 i 3 powinny zostać zaimplementowane w MATLAB. 
	Korzystając z maksymalnej liczby ogniw obciążnikowych 1000, określenie wytrzymałości na zginanie i odkształcenia jest kombinacją wszystkich równań. Ponieważ MATLAB generuje również krzywą naprężenie-odkształcenie każdej próbki, moduł sprężystości został określony poprzez obliczenie nachylenia obszaru sprężystego. Korzystając z równania 6, moduł zginania zostanie obliczony w odniesieniu do dwóch wybranych punktów na wykresie naprężenie-odkształcenie: 
	<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/10481/10481eq1.jpg"> (6) 
	Badając dane próbki, zobaczymy, że wraz z dodawaniem różnych form zbrojenia, wytrzymałość próbek wzrośnie, przy czym taśma z włókna szklanego zapewni największą dodatkową wytrzymałość. Pod względem plastyczności (którą można uznać za "najbardziej odkształcalną plastycznie") próbka wzmocniona taśmą z włókna szklanego będzie również największa. 
	Również długość i orientacja włókien drastycznie wpływają na właściwości próbek kompozytowych. Na przykład maksymalne wzmocnienie można osiągnąć tylko wtedy, gdy taśma z włókna szklanego jest ustawiona równolegle do powierzchni próbki. W ten sposób ta orientacja przestrzenna pozwala taśmie z włókna szklanego wytrzymać dodatkowe siły, gdy matryca tynku ulega uszkodzeniu. Ponadto można również wywnioskować, że dłuższe paski taśmy z włókna szklanego okazałyby się bardziej wytrzymałe niż krótsze paski. Dłuższe elementy pozwoliłyby na maksymalną przyczepność w warunkach 3-punktowej próby zginania, ponieważ wokół wzmocnienia z włókna szklanego jest więcej tynku. </li>
	<li>Absorpcja energii podczas testu wiązania 
	Obszar pod krzywą naprężenie-odkształcenie reprezentuje energię, jaką materiał pochłania przed uszkodzeniem. Zgodnie z wynikami, które osiągniemy, zostanie wykazane, że próbka wzmocniona włóknem szklanym pochłania największą ilość energii. Ponadto, ponieważ wytrzymałość odpowiada zdolności materiału do pochłaniania energii i plastycznego odkształcania się bez pękania, a próbka włókna szklanego okazała się najbardziej plastyczna, pochłaniając największą ilość energii; Próbka z włókna szklanego jest z natury najtwardsza spośród trzech. W związku z tym wytrzymałość jest równowagą między wytrzymałością a ciągliwością, a próbka włókna szklanego miała największą powierzchnię poniżej krzywej naprężenia i odkształcenia. </li>
	<li>Obliczanie wytrzymałości teoretycznej kompozytów z włókien ciętych i taśm z włókna szklanego przy użyciu wzoru na "regułę mieszanin" (odpowiednie właściwości materiału podano w tabeli 1). 
	Teoretyczną wytrzymałość kompozytu można obliczyć za pomocą równania 1, gdzie: 
	VF = ułamek objętościowy włókna = (objętość włókna)/(całkowita objętość próbki) 
	Objętość włókna = (masa włókna)/(gęstość włókna) 
	Ułamek objętościowy gipsu = VP = 1- VF . </li>
</ol>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td></td>
			<td>Gęstość, g/ml</td>
			<td>Wytrzymałość na zginanie, MPa</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cięte włókna szklane</td>
			<td>2.5</td>
			<td>35</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Taśma z włókna szklanego</td>
			<td>0.45</td>
			<td>35</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tynk</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1. Właściwości materiału.

Eksperyment ten miał na celu zbadanie wytrzymałości na zginanie na trzech różnych rodzajach materiału kompozytowego. Wyprodukowaliśmy trzy próbki z różnych materiałów wzmacniających. Matrycą był gips paryski (związek siarczanu wapnia), a jako wzmocnienia użyliśmy pociętych włókien szklanych i taśmy z włókna szklanego. Przeprowadziliśmy 3-punktowy test zginania na wytworzonych próbkach i przeanalizowaliśmy uzyskane dane, porównując właściwości kompozytów wykonanych z długich, zorientowanych włókien z krótkimi włóknami los...

materiały kompozytowe na osnowie ceramicznej i ich właściwości zginania

Źródło: Sina Shahbazmohamadi i <a href="https://www.jove.com/author/Peiman_Shahbeigi-Roodposhti">Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti</a>, School of Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT
Kości są kompozytami, wykonanymi z matrycy ceramicznej i wzmocnień z włókien polimerowych. Ceramika zapewnia wytrzymałość na ściskanie, a polimer zapewnia wytrzymałość na rozciąganie i zginanie. Łącząc materiały ceramiczne i polimerowe w różnych ilościach, korpus może tworzyć unikalne materiały dostosowane do konkretnego zastosowania. Jako inżynierowie biomedyczni, zdolność do zastępowania i replikacji kości z powodu choroby lub urazu jest istotnym aspektem nauk medycznych. 
W tym eksperymencie stworzymy trzy różne kompozyty ceramiczno-osnowy z gipsem paryskim (który jest związkiem siarczanu wapnia) i poddamy je trzypunktowej próbie zginania w celu określenia, który preparat jest najmocniejszy. Trzy kompozyty są następujące: jeden składający się tylko z gipsu paryskiego, jeden z pociętych odłamków szkła zmieszanych w matrycy gipsowej i wreszcie matryca gipsowa z osadzoną w niej siatką z włókna szklanego.

Ogólnym celem serii wyżej wymienionych badań jest porównanie różnych cech fizycznych różnych kompozytowych substytutów kości. Wytrzymałość na zginanie i odkształcenie należy obliczyć za pomocą równań odpowiednio 4 i 5. Naprężenie i odkształcenie dla każdej próbki zostaną wykreślone w programie MATLAB. Na tej podstawie dla każdego zestawu danych można znaleźć maksymalną wytrzymałość na zginanie i odpowiadające jej odkształcenie przy zginaniu. Naprężenie (σf1, <span ...

Materiały kompozytowe na osnowie ceramicznej i ich właściwości zginania

Source: Sina Shahbazmohamadi and Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti, School of Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT
Bones are ...

Kompozyt to materiał powstały w wyniku połączenia matrycy i jednego lub więcej materiałów wzmacniających. Ogólna wytrzymałość kompozytu na zginanie zależy od właściwości materiałów, z których jest wykonany. Ceramika to twardy materiał o silnych właściwościach ściskających, ale materiał ten jest również bardzo kruchy. Mieszając go z włóknami szklanymi lub polimerowymi, zamienia się w bardziej plastyczny materiał. Na przykład w kompozytach ze sztucznej kości ceramika zapewnia wymaganą wytrzymałość na ściskanie, podczas gdy włókna polimerowe zwiększają jej wytrzymałość na rozciąganie i zginanie. Łącząc materiały ceramiczne i polimerowe w różnych ilościach, można stworzyć unikalne materiały dostosowane do konkretnego zastosowania. Ten film zilustruje, jak wykonać trzy kompozyty o osnowie ceramicznej z gipsem paryskim i określi, który preparat ma najsilniejsze właściwości zginania. Wytrzymałość na zginanie tych próbek mierzy się za pomocą trzypunktowego testu zginania. Przyjrzyjmy się bliżej trzypunktowemu testowi zginania. W tej metodzie próbka w kształcie pręta jest montowana wzdłuż na dwóch równoległych kołkach. Montaż powinien być taki, aby pozwalał na rozciąganie się materiału, a także zginanie pod wpływem siły zewnętrznej. W tym teście siła zewnętrzna jest przykładana prostopadle do próbki pośrodku. W rezultacie podlega sile ściskającej po stronie, po której przykładane jest obciążenie zewnętrzne, oraz sile rozciągającej po przeciwnej stronie, gdzie ulega rozciągnięciu. Połączenie tych dwóch sił tworzy również obszar czystego naprężenia wzdłuż linii środkowej. Te trzy siły razem decydują o wytrzymałości danej próbki na zginanie lub zginanie. Wraz ze wzrostem siły zewnętrznej zwiększa się również stopień zginania lub ugięcia materiału, aż do uszkodzenia materiału. Odkształcenie zginające materiału można obliczyć na podstawie ugięcia, długości rozpiętości i grubości próbki. Naprężenie zginające materiału można obliczyć na podstawie przyłożonej siły, rozpiętości, szerokości i grubości próbki. Trzypunktowa próba zginania daje krzywą naprężeń zginających i odkształceń materiału. Nachylenie krzywej w obszarze sprężystym reprezentuje moduł zginania próbki i mierzy, jak bardzo dany materiał może być zginany. Obszar pod krzywą naprężenie-odkształcenie reprezentuje ilość energii pochłoniętej przez materiał przed uszkodzeniem, dlatego jest miarą wytrzymałości materiału. Teoretycznie maksymalną wytrzymałość kompozytu na zginanie można obliczyć za pomocą reguły mieszanin przy użyciu maksymalnej wytrzymałości na zginanie jego osnowy i materiałów wzmacniających pod frakcjami objętościowymi. Teraz, gdy już rozumiesz, jak działa metoda gięcia trzypunktowego i jak zmierzyć właściwości zginania materiału, zróbmy trzy kompozyty na bazie ceramiki i dowiedzmy się, który z nich ma największą wytrzymałość na zginanie. Najpierw zróbmy trzy próbki kompozytów o osnowie ceramicznej. Na początek zdobądź niebieską gumową formę, która może wykonać trzy próbki w kształcie pręta. Wykonamy Twoją pierwszą próbkę z tynku gładkiego. Na początek zważ 40 gramów suchego proszku gipsowego do plastikowego kubka, a następnie powoli dodaj 20 mililitrów dejonizowanej wody i mieszaj patyczkiem, aż do uzyskania gładkiej konsystencji. Przejdź natychmiast do następnego kroku, ponieważ tynk zaczyna twardnieć po około pięciu minutach. Następnie wlej powstałą zawiesinę do jednej z komór formy. Całkowicie napełnij formę i wygładź ją patyczkiem. Na koniec wyrzuć kubek i nadmiar plastra. Zachowaj kij do wykorzystania w przyszłości. Drugą próbkę kompozytową wykonasz przy użyciu proszku gipsowego i pociętych włókien szklanych. Aby to zrobić, najpierw zważ cztery gramy posiekanych włókien szklanych do plastikowego kubka. Następnie zważ 40 gramów proszku gipsowego do tego samego kubka, a następnie powoli dodaj 20 mililitrów wody dejonizowanej. Mieszaj zawiesinę patyczkiem, aż włókna dokładnie się wymieszają i uzyskasz gładką konsystencję. Wlej gnojowicę do drugiej formy zgodnie z opisem dla próbki pierwszej. Ostatnią próbkę kompozytową wykonasz za pomocą zwykłego proszku do gipsu i taśmy z włókna szklanego. Aby to zrobić, najpierw wytnij dwa paski taśmy z włókna szklanego o długości około pięciu cali i zważ je. Po drugie, wykonaj zawiesinę za pomocą zwykłego proszku do gipsu, tak jak w przypadku pierwszej próbki. Następnie wlej około 1/3 tynku do formy. Umieść jeden pasek taśmy z włókna szklanego na wierzchu tynku i dociśnij patyczkiem. Zawsze upewnij się, że tynk dokładnie zwilża włókno szklane, a następnie wylej około 1/2 pozostałego tynku na taśmę z włókna szklanego. Następnie umieść drugi pasek taśmy na wierzchu tynku i dociśnij go patyczkiem. Wylej resztę tynku na drugi pasek i dociśnij go patyczkiem. Zmierz średnią długość, szerokość i wysokość każdego pręta. Zmierzyć długość rozpiętości próbki na trzypunktowym przyrządzie testowym przy użyciu skalibrowanych kalibrów. Ustaw instrument UTM na zero i zainicjuj dodatkową prędkość przemieszczenia o pięć milimetrów na minutę. W przypadku próbek zwykłego tynku i pociętego włókna szklanego należy przeprowadzać test, aż próbki zakończą się niepowodzeniem. W przypadku kompozytu z taśmą z włókna szklanego należy przeprowadzić test, aż ugięcie wyniesie sześć milimetrów. Użyj programu Lab View na swoim komputerze, aby zebrać dane z każdego testu do pliku tekstowego. UTM generuje jednokolumnowy plik tekstowy zarówno dla siły, jak i ugięcia. Interfejs widoku laboratorium sortuje odpowiednie odczyty w dwie różne tablice. Teraz przekształć surowe dane w siłę i ugięcie, używając liczb wygenerowanych przez UTM i maksymalną wartość ogniwa obciążnikowego wynoszącą 1,000. Następnie, korzystając z wartości siły i ugięcia, oblicz naprężenie zginające i odkształcenie. Wykreślić krzywą odkształcenia przy zginaniu i naprężenia trzech próbek: gipsu, kompozytu z siekanego szkła i kompozytu z taśmą włóknistą. Znajdź maksymalną wytrzymałość na zginanie na podstawie krzywej. Znajdź również odkształcenie zginające o maksymalnej sile. Następnie oblicz moduł sprężystości przy zginaniu i całkowitą powierzchnię pod krzywą dla każdej próbki. Na koniec porównaj wyniki trzech próbek. Eksperyment ten pokazuje, że pożądaną wytrzymałość próbki można osiągnąć przy użyciu różnych materiałów wzmacniających. Badając przykładowe dane, widzimy, że taśma z włókna szklanego zapewnia największą dodatkową wytrzymałość. Obejmuje również maksymalny obszar pod krzywą, dlatego jest najtrudniejszy z trzech. Długość i orientacja włókien drastycznie wpływają na właściwości próbek kompozytowych. Na przykład maksymalne wzmocnienie można osiągnąć tylko wtedy, gdy taśma z włókna szklanego jest ustawiona równolegle do powierzchni próbki. Ta orientacja przestrzenna pozwala taśmie z włókna szklanego wytrzymać dodatkowe siły, gdy matryca tynkarska ulega uszkodzeniu. Dłuższe elementy pozwoliłyby na maksymalną przyczepność podczas testu, ponieważ wokół wzmocnienia z włókna szklanego jest więcej tynku. Kompozyty o osnowie ceramicznej są stosowane w wielu dziedzinach: naukach kosmicznych, bioinżynierii i samochodowych systemach hamulcowych. Kompozyty o osnowie ceramicznej są również wykorzystywane do syntezy naszych sztucznych kości. Nasze kości z natury mają silną strukturę kompozytową, dlatego zdolność do zastępowania i replikowania kości z powodu choroby lub urazu jest ważnym elementem nauk medycznych. Kompozyty ceramiczne zapewniają również wyjątkowe samochodowe systemy hamulcowe ze względu na ich wyższą wytrzymałość, wyższą stabilność termiczną i mniejsze zużycie. Z tych powodów są one stosowane w samochodach sportowych. Właśnie obejrzałeś Wprowadzenie Jowisza do materiałów kompozytowych na osnowie ceramicznej i ich właściwości zginania. Powinieneś teraz zrozumieć, jak wykonać materiał kompozytowy, przetestować jego właściwości zginania za pomocą trzypunktowego testu zginania i porównać go z innymi kompozytami. Dzięki za oglądanie.

ceramic-matrix-composite-materials-and-their-bending-properties

Education

JoVE Science Education

Engineering

Inżynieria

Materials Engineering

Inżynieria Materiałowa

Ceramic-matrix Composite Materials and Their Bending Properties

bone-inspired ceramic composites in bending

Bone helps show how ceramic-matrix composites work. In this material system, the ceramic part gives compressive strength, while the polymer fiber reinforcement adds tensile and flexural strength. By changing the amounts of ceramic and polymer, engineers can make materials for specific uses.

This idea matters in biomedical engineering, where replacing or copying bone after disease or traumatic injury is an important goal. For this study, plaster of Paris, a calcium sulfate compound, is used to make three different ceramic-matrix composites. One sample contains only plaster of Paris. A second includes chopped glass shards mixed into the plaster matrix. A third uses a fiberglass network embedded in the plaster matrix.

The samples are then tested with a three-point bending test. This method measures how each composite resists bending and helps identify which preparation is strongest. The comparison shows how added reinforcement can change the bending behavior of a ceramic-based material.

Bone-Inspired Ceramic Composites in Bending

bone-inspired-ceramic-composites-in-bending

optical materialography part 1: sample preparation

optical-materialography-part-1-sample-preparation

Preparing Solid Samples for Optical Microscopy

Optical microscopy of solid materials starts with careful sample preparation. Materialography is the study of microscopic structures in solids and the features seen in those images. It helps reveal details such as porosity, grain size and shape, and whether the microstructure shows anisotropy, or direction-dependent structure. This lesson focuses on the preparation steps used before optical microscopy. It covers the techniques and procedures needed to ready a solid material sample for imaging.

optical materialography part 2: image analysis

optical-materialography-part-2-image-analysis

Quantifying Microstructure in Optical Materialography

Optical materialography can be used to measure the microstructure of solid materials. It focuses on the microscopic structures seen in an exposed surface and uses them to study the material more deeply. A common goal is to estimate the three-dimensional microstructure of a sample from a two-dimensional cross section. This approach relies on the structural features visible in the image. It helps turn surface observations into quantitative data about the material. X-ray tomography can also...

x-ray photoelectron spectroscopy

XPS Surface Analysis of Materials

X-ray photoelectron spectroscopy, or XPS, is a surface analysis method for studying materials. It measures elemental composition, empirical formula, chemical state, and electronic state of the elements in a sample. Because the signal comes from the top few nanometers, XPS is especially useful for examining surfaces. To collect an XPS spectrum, a material is irradiated with an X-ray beam. At the same time, the instrument measures the kinetic energy and number of electrons that escape from the...

x-ray diffraction

Crystal Structure Using X-ray Diffraction

X-ray diffraction is a materials science method for finding crystal structure. It uses incident X-rays that strike a sample and scatter from its atoms and molecules. The scattered X-rays are measured by their intensity and scattering angle. The results are plotted as intensity versus angle. Scientists then analyze the position of the peaks and their strength to determine the structure of the material. This method can also show how a real crystal differs from an ideal one. It can reveal effects...

focused ion beams

Focused Ion Beams in Microfabrication

Focused ion beams are used in microfabrication and nano-fabrication. A focused ion beam, or FIB, is an instrument that can fabricate, trim, analyze, and characterize materials on micro- and nano-scales. These tools are used in many fields, from nano-electronics to medicine. FIB systems work with a beam of ions. That beam can mill, or sputter, material away. It can also deposit material and image surfaces at small scales. In many research labs, the ion column of a FIB is integrated with the...

directional solidification and phase stabilization

directional-solidification-and-phase-stabilization

Zone Melting for Alloy Refining

Zone melting directional solidification is a metallurgical process used to move a narrow molten region through a crystal, usually a bar-shaped sample. A furnace travels along the rod, so the molten zone moves from one end of the bar to the other. This controlled motion changes how material forms as it solidifies. In alloys, solute atoms tend to separate into the melt. Impurities also concentrate in the molten zone instead of staying in the solid. As the molten region moves forward, it carries...

differential scanning calorimetry

Measuring Polymer Crystallinity with DSC

Differential scanning calorimetry, or DSC, is a method used to measure the thermal properties of materials. It helps scientists see how much heat a material stores as it warms up. This heat storage is called heat capacity. DSC also measures the heat absorbed or released during chemical reactions and phase changes. From these measurements, it can help determine other properties such as glass transition temperature and polymer crystallinity. Polymers often have long, chain-like structures that...

thermal diffusivity and the laser flash method

thermal-diffusivity-and-the-laser-flash-method

How Laser Pulses Measure Heat Flow

Laser flash analysis measures thermal diffusivity, which describes how fast heat moves through a material compared with how much heat it stores. This material-specific property helps show how a sample transfers thermal energy and how it responds to temperature changes. Thermal diffusivity is related to thermal conductivity, the measure of how heat moves through a material because of a temperature difference. That relationship also depends on the material’s density, shown as ρ, and its specific...

electroplating of thin films

Fast Metal Coating Without a Vacuum

Electroplating is a way to add a thin metal coating to a surface using electric current. In this process, dissolved metal cations are reduced and form a film on an electrode. The method is also called electrodeposition. This page also compares electroplating with other thin film deposition methods. Chemical vapor deposition, or CVD, uses a gas-phase precursor. Spin coating spreads a liquid precursor by spinning it outward. Dip coating is similar, but the substrate is fully submerged instead of...

analysis of thermal expansion via dilatometry

analysis-of-thermal-expansion-via-dilatometry

Using Dilatometry to Measure Heating Effects

Dilatometry measures how a material changes in size as temperature changes. It can track changes in length, area, shape, or volume. The method is used to calculate thermal expansion, which is the expansion of a substance when it is heated. Thermal expansion matters when choosing materials for systems that face changing temperatures. Some materials need high thermal expansion, such as the liquid in a thermometer, because the change helps detect temperature shifts. Other uses need materials with...

electrochemical impedance spectroscopy

Why AC Signals Matter in Impedance

Electrical impedance describes how a circuit element resists the flow of electricity. It is a more general measure than electrical resistance, especially when a circuit is not simple enough to be described by resistance alone. Resistance is the ability of a circuit element to resist current. It is defined by Ohm's law, which relates voltage and current. That relationship works well for ideal resistors, but many real circuit elements are more complex. When an alternating current, or AC, is...

ceramic-matrix composite materials and their bending properties

Bone helps show how ceramic-matrix composites work. In this material system, the ceramic part gives compressive strength, while the polymer fiber reinforcement adds tensile and flexural strength. By changing the amounts of ceramic and polymer, engineers can make materials for specific uses. This idea matters in biomedical engineering, where replacing or copying bone after disease or traumatic injury is an important goal. For this study, plaster of Paris, a calcium sulfate compound, is used to...

nanocrystalline alloys and nano-grain size stability

nanocrystalline-alloys-and-nano-grain-size-stability

Keeping Nanocrystalline Alloy Grains Small

Nanocrystalline alloys are metals with grain sizes smaller than 100 nm. These tiny grains can give the material enhanced physical and mechanical properties. That is why nanocrystalline alloys are used or studied for semiconductor devices, biosensors, and aerospace parts. A major challenge is making dense bulk materials from these alloys. To reach close to 100% density, the material must be processed with elevated temperature and pressure. But as temperature and pressure rise, the small grains...

hydrogel synthesis

Hydrogels and Their Water Absorption

Hydrogels are cross-linked polymers that can absorb water and swell. They are made with relatively simple procedures and inexpensive materials, which makes them useful for many school-level chemistry and materials science topics. A hydrogel starts with a polymer backbone built from monomer reagents. An initiator makes the polymer reactive, and a crosslinking species connects the chains together. This network gives the material its final structure. Water absorption is one of the key features...

materials engineering

This collection features cutting-edge methods for analysis and characterization of materials, and introduces a range of advanced materials and processes for new technologies and applications.

Compare plaster of Paris composites, chopped glass, and fiberglass reinforcement in a three-point bending test to see which bone-inspired material is strongest.

Bone-Inspired Ceramic Composites in Bending

Description

Transcript

Tags