Artykuł metodologiczny

Mechanoluminescencyjna wizualizacja propagacji pęknięć do wspólnej oceny

6.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/64118

⸱

6 stycznia 2023

 , 
1Sensing System Research Center (SSRC), National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

W tym artykule

Podsumowanie

W tym badaniu przedstawiono protokół opisujący użycie wizualizacji mechanoluminescencyjnej (ML) do monitorowania propagacji pęknięć i zachowania mechanicznego podczas testowania oceny połączeń adhezyjnych.

Streszczenie

W tym badaniu zademonstrowano i wyjaśniono metody mechanoluminescencyjnej (ML) wizualizacji rozprzestrzeniania się pęknięć i zachowania mechanicznego w celu oceny połączeń adhezyjnych. Pierwszym krokiem było przygotowanie próbki; Za pomocą sprayu powietrznego nałożono farbę ML na powierzchnię próbek spoin klejowych. Wydajność czujnika ML została opisana w celu zbadania warunków pomiaru. Przedstawiono wyniki wykrywania ML podczas testu podwójnej belki wspornikowej (DCB) i testu ścinania zakładkowego (LS), ponieważ są to najczęściej i najszerzej stosowane metody oceny klejów. Początkowo trudno było bezpośrednio określić ilościowo wierzchołek pęknięcia oraz rozkład i stężenie odkształcenia/naprężenia, ponieważ wierzchołek pęknięcia był zbyt mały i nie można było zaobserwować skutków odkształcenia. Mechanoluminescencja, propagacja pęknięć i zachowanie mechaniczne podczas testów mechanicznych mogą być wizualizowane za pomocą wzoru ML podczas oceny kleju. Pozwala to na rozpoznanie dokładnego położenia końcówek pęknięć i innych zachowań mechanicznych związanych z uszkodzeniem konstrukcji.

Wprowadzenie

Mechanoluminescencyjne (ML) materiały wykrywające to funkcjonalne proszki ceramiczne, które wielokrotnie emitują intensywne światło pod wpływem bodźców mechanicznych. Zjawisko to obserwuje się nawet w obszarach odkształcenia sprężystego1,2,3,4. Po rozproszeniu na powierzchni struktury, poszczególne cząstki ML działają jako czułe czujniki mechaniczne, a dwuwymiarowy (2D) wzór ML odzwierciedla dynamiczny rozkład odkształceń. Wzorzec emisji ML przedstawia mechaniczną symulację rozkładu odkształceń2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 (Rysunek 1A).

Jak pokazano w Rysunek 1B, czujniki ML zostały zastosowane do wizualizacji dwuwymiarowych (2D) i trójwymiarowych (3D) dynamicznych zachowań mechanicznych w procesach elastycznych, plastycznych i niszczących przy użyciu próbek do badań kuponowych zawierających najnowsze zaawansowane lekkie materiały konstrukcyjne (np. stal o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie5,6, aluminium, tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem węglowym [CFRP]7), spoina klejowa zapewniająca odporność na uszkodzenia design8,9,10,11, oraz komponenty produktu (np. plik sprzętu i elastycznej elektroniki do składanych telefonów12, oraz skomplikowane połączenia klejowe i/lub spawalnicze używane do walidacji wyników inżynierii wspomaganej komputerowo [CAE] w testach laboratoryjnych2,8,9,10,11). Ponadto czujniki ML są z powodzeniem wykorzystywane w praktycznych zastosowaniach, takich jak monitorowanie stanu konstrukcji (SHM) budynków i mostów w celu wykrywania propagacji pęknięć lub prawdopodobieństwa koncentracji odkształceń prowadzących do degradacji konstrukcji2,6,13, monitorowanie wewnętrznej propagacji pęknięć w warstwach międzywarstwowych7,9, przewidywanie żywotności wysokociśnieniowych zbiorników wodorowych9, testy mobilności w celu wizualizacji propagacji lub wzbudzenia fali uderzeniowej w trybie wibracji14 oraz wizualne wykrywanie narzędzi sportowych w celu określenia odpowiednich ustawień fizycznych, aby zwiększyć szanse na wygraną. W protokole wybrano wizualizację ML do monitorowania propagacji pęknięć i późniejszych zmian w zachowaniu mechanicznym podczas testowania oceny połączeń adhezyjnych.

Jest kilka powodów, dla których warto wybrać ten motyw. Pierwszym powodem jest znaczny wzrost znaczenia spoin adhezyjnych w ostatnich latach. Ostatnio, ze względu na potrzebę znacznej redukcji emisji CO2 i oszczędności energii, opracowano i zastosowano różne rodzaje lekkich materiałów w branży mobilności i transportu, np. w samochodach, samolotach i pociągach. W ramach tego trendu, technologia klejenia zyskała na znaczeniu jako kluczowa technologia swobodnego łączenia różnych lekkich materiałów (różnych połączeń materiałowych) w strategii wielomateriałowej15. Co więcej, metoda wizualizacji ML do określania siły przyczepności, zwłaszcza w różnych materiałach, została zasugerowana przez różne międzynarodowe standardy16,17,18,19,20. Ocena siły adhezji jest zasadniczo badaniem niszczącym, a uzyskaną siłę klejenia można podzielić głównie na dwa typy: (1) energia odporności na pękanie (Gc), którą określa się na podstawie położenia propagacji pęknięć podczas przykładania obciążenia, oraz (2) wytrzymałość klejenia, którą określa się na podstawie obciążenia w momencie zerwania spoiny klejowej. Chociaż test podwójnej belki wspornikowej (DCB) i test pojedynczego ścinania zakładkowego (LS) są reprezentatywnymi metodami oceny odpowiednio odporności na pękanie i siły przyczepności oraz reprezentują najczęściej stosowane metody testowania klejów na świecie15,16,17,18,19,20, końcówka pęknięcia jest zbyt mała, aby rozróżnić rozkład naprężeń/odkształceń. W związku z tym wartość energii odporności na pękanie (Gc) jest silnie rozproszona. W wyniku zaleceń naukowców badających kleje i inne osoby w branży, zbadano wizualizację mechanoluminescencyjną (ML) w celu monitorowania propagacji pęknięć i późniejszych zmian w zachowaniu mechanicznym podczas testów oceny połączeń klejowych8,9,10,11,21. Drugim powodem wyboru tego motywu w tym protokole jest to, że naprężenie/odkształcenie jest silnie skoncentrowane na końcówce pęknięcia, co generuje intensywną mechanoluminescencję w punkcie ML podczas propagacji pęknięcia i jest to potencjalnie najbardziej przyjazna dla użytkownika metodologia wśród różnych aplikacji do testowania ML. Dodatkowo metoda ta może być stosowana bez zaawansowanego doświadczenia w przygotowywaniu próbek i wysoce wydajnych materiałach ML.

Dlatego w tym badaniu wyjaśniono protokół wizualizacji ML do monitorowania propagacji pęknięć i późniejszych zmian w zachowaniu mechanicznym podczas testowania oceny połączeń adhezyjnych, jak pokazano w Rysunek 2.

Protokół

Niniejsze badanie przeprowadzono z wykorzystaniem próbek DCB. DCB to standardowa próbka testowa, często stosowana do badania wzrostu pęknięć oraz mechaniki pękania16,17,18.

1. Przygotowanie próbki testowej

  1. Przeprowadź wstępną obróbkę powierzchni przed nałożeniem farby ML (patrz Tabela materiałów). Przetrzyj powierzchnię próbki testowej (na której użytkownik chce nanieść farbę ML) rozpuszczalnikiem, takim jak alkohol izopropylowy (IPA) lub etanol, w celu odtłuszczenia powierzchni.
  2. Przygotuj i nałóż farbę ML, postępując zgodnie z poniższymi krokami.
    1. Odważ 20 g głównego odczynnika epoksydowego do farby ML (patrz na Tabela materiałów), w tym SrAl2O4Eu2+ materiał ML oraz 3,1 g czynnika sieciującego, a następnie zmieszać je w kubku mierniczym z rozpuszczalnikiem organicznym, takim jak toluen i octan etylu, aby uzyskać lepkość 100 mPa·s.
    2. Nanieś farbę ML na powierzchnię próbki DCB, rozpylając ją za pomocą natryskiwacza pneumatycznego lub sprayu (Rycina 3).
    3. Suszyć preparat stopniowo przez noc w temperaturze pokojowej.
      UWAGA: Farba ML została przygotowana poprzez zmieszanie ML i żywic polimerowych. Materiały ML1,2,3,4 a materiały polimerowe mogą być stosowane zamiast komercyjnych farb ML. Jednakże protokół w niniejszym badaniu opisano z wykorzystaniem komercyjnej farby ML lub sprayów (jak pokazano w Rycina 3) w celu zapewnienia dobrej wydajności. Chociaż zawartość materiału ML zależy od efektywności, jako zawartość w farbie ML wybrano 25% wag. lub powyżej 50% wag. materiału ML22Lepkość opisana w kroku 1.2.1 została oceniona przy użyciu wiskozymetru.8,9 (patrz na Tabela materiałów).
  3. Po zakończeniu obróbki utwardź próbkę poprzez podgrzanie naniesionej na nią farby ML w temperaturze 80 °C przez 1 h.
    UWAGA: Warunki obróbki końcowej muszą mieścić się w zakresie parametrów odpowiednich dla utwardzania żywicy farby ML i nie mogą wpływać na próbkę badawczą oraz właściwości wiązania.
  4. Przeprowadź potwierdzenie jakości.
    1. Należy potwierdzić, że naniesiona natryskowo farba ML jest rozmieszczona na powierzchni w sposób w przybliżeniu jednorodny.
    2. Zapewnij grubość około 50-100 µm przy użyciu mikroskopu lub miernika grubości powłok8 (Rycina 4).
      UWAGA: Mała grubość jest odpowiednia dla zapobiegania redystrybucji obciążenia w odczynniku epoksydowym z mechanoluminescencją (ML). Jednorodność naniesionej natryskowo farby ML jest niezbędna do wykorzystania wizualizacji ML w testowaniu adhezji, ponieważ w wierzchołku pęknięcia można zaobserwować intensywną mechanoluminescencję ze względu na wysoką koncentrację naprężeń. Dlatego w kroku 1.4.1 naniesiona natryskowo farba ML jest określona jako „w przybliżeniu jednorodna”.

2. Pomiar ML dla testu DCB

  1. W celu przygotowania układu eksperymentalnego do pomiaru ML należy wykonać następujące kroki.
    1. Zamocuj próbkę pomalowaną farbą ML w maszynie do badań mechanicznych, używając specjalnego uchwytu (patrz: na Tabela materiałów) do testu DCB16,17,18jak pokazano w Rysunek 5A.
      UWAGA: Próbki do badania DCB muszą być zgodne z międzynarodowymi normami dotyczącymi badań DCB16,17,18.
    2. Umieść kamery (CCD, urządzenie z ładunkiem sprzężonym lub CMOS, półprzewodnik metal-tlenek-półprzewodnik; patrz na Tabela materiałów) przed każdą powierzchnią próbki badawczej w taki sposób, aby były skierowane w stronę monitorowanego wierzchołka szczeliny8,9,10,11,12 (Rysunek 5B). Sprawdzić ustawienia kamery, aby upewnić się, że umożliwiają one rejestrację poświaty (AG) w przewidywanym czasie pomiaru podczas badań mechanicznych.
      UWAGA: Chociaż czterokamerowy system obrazowania nie jest obowiązkowy dla wszystkich kierunków obrazowania preparatu, liczba kamer zależy od powierzchni preparatu, na której użytkownik chce skupić uwagę i którą zamierza zarejestrować.
  2. Przeprowadź obserwację ML w teście DCB.
    1. Zapewnij odpowiednie warunki otoczenia, aby zagwarantować ciemność.
    2. Ustaw warunki nagrywania kamery: częstotliwość nagrywania = 1 lub 2 klatek na sekundę (fps); czas ekspozycji = 0,5 s lub 1 s; oraz wzmocnienie = maksymalne.
    3. Naświetl próbkę DCB pokrytą natryskowo farbą ML niebieskim światłem o długości fali 470 nm w celu wzbudzenia, używając niebieskiej diody LED (patrz na Tabela materiałów) z każdego kierunku kamery przez 1 min.
    4. Rozpocząć nagrywanie obrazu na 5 s przed zakończeniem naświetlania światłem niebieskim.
    5. Odczekać 1 min w ciemności, aby upewnić się, że poświata wygasa.
      UWAGA: Czas stabilizacji może być zmienny w zależności od rodzaju materiału wykrywającego ML oraz kamery, szczególnie w odniesieniu do równowagi między intensywnością mechanoluminescencji a poświatą w zarejestrowanych filmach.
    6. Przyłożyć obciążenie mechaniczne16,17,18 przy użyciu maszyny do badań mechanicznych z prędkością obciążania 1 mm/min w celu uzyskania obrazu ML (Rycina 5C i Film 1).
    7. Oblicz długość szczeliny (a), korzystając z informacji o położeniu wierzchołka szczeliny, wyznaczonego na podstawie punktu ML podczas propagacji szczeliny w próbce natryskanej farbą ML (Film 1), aby uzyskać odporność na pękanie, G1c (kJ/m2), wartość obliczoną zgodnie z równaniem 18,9,16,17,18.
      UWAGA: Równanie odporności na pękanie: \(G_{1c}=\frac{3}{4H}\left(\frac{P_C}{B}\right)^2\left(\frac{B\lambda}{\alpha_1}\right)^\frac{2}{3}\). (Równanie 1)
      gdzie 2H oznacza grubość (mm) próbki DCB, B oznacza szerokość próbki, λ oznacza podatność rozwarcia szczeliny (COD) (mm/N), Pc oznacza obciążenie (N), a α1 oznacza nachylenie (a/2H) i (B/λ)1/3.

3. Pomiar ML dla testu ścinania zakładkowego (LS)

  1. W celu przygotowania układu eksperymentalnego do pomiarów ML, zamocuj próbkę LS natryśniętą farbą ML w maszynie do badań mechanicznych19,20, zgodnie z rysunkiem Rysunek 6A.
  2. Umieść kamery (kamerę CCD lub CMOS) przed każdą powierzchnią próbki testowej w taki sposób, aby były skierowane w stronę monitorowanego wierzchołka pęknięcia (Rysunek 6A).
    UWAGA: Próbki LS muszą być zgodne z międzynarodowymi normami dotyczącymi testów LS19,20. W przypadku połączeń z materiałów różnovyrazowych, na każdej z czterech powierzchni próbek LS wystąpią różne rozkłady odkształceń. Dlatego zaleca się stosowanie czterokamerowego systemu lub co najmniej dwukamerowego systemu dla każdej z czterech powierzchni, jak pokazano na Rysunku 6A, aby każda kamera rejestrowała dwie powierzchnie pod kątem 45° do każdej z nich.
  3. Przeprowadź obserwację ML w teście ścinania nakładkowego (LS).
    1. Zachowaj warunki ciemności.
    2. Ustaw parametry nagrywania kamery: szybkość nagrywania = 10-50 fps; czas ekspozycji = 0,02 s lub 0,1 s; wzmocnienie = maksymalne.
    3. Naświetlaj próbkę DCB natryśniętą farbą ML niebieskim światłem o długości fali 470 nm w celu wzbudzenia, używając niebieskiej diody LED z każdego kierunku ustawienia kamery przez 1 min.
    4. Uruchom nagrywanie kamery na 5 s przed zakończeniem naświetlania światłem niebieskim.
    5. Odczekaj w ciemności przez 30 s, aż poświata ustabilizuje się.
      UWAGA: Czas stabilizacji może być zmieniany w zależności od zastosowanego materiału czujnika ML oraz kamery, szczególnie w odniesieniu do równowagi między intensywnością mechanoluminescencji a poświatą w nagranych filmach.
    6. Przyłóż obciążenie mechaniczne19,20 za pomocą maszyny do badań mechanicznych przy prędkości obciążania 1-5 mm/min, aby uzyskać obrazy ML (Rysunek 6B oraz Film 2).

4. Informacje dotyczące pomiaru ML i analizy danych

  1. Wykonaj ekscytację przed testem ML.
    1. Mimo że natężenie luminescencji mechanoluminescencyjnej (ML) jest proporcjonalne do energii odkształcenia, natężenie ML stopniowo spada wraz z kolejnymi cyklami obciążenia.2,3,6,12jak pokazano w Rysunek 7ANależy zatem przeprowadzić wzbudzenie przed testem ML, aby uzyskać powtarzalne wyniki ML, zgodnie z opisem w kroku 2.2.3 oraz kroku 3.2.3.
  2. Wybierz czas oczekiwania dla wysokiego stosunku ML/AG.
    UWAGA: Czujnik ML wykazuje poświecę (AG) po wzbudzeniu jako długoświetlny fosfor oraz wykazuje mechanoluminescencję w momencie przyłożenia obciążenia, co przedstawiono w Rycina 7B.
    1. Wybierz czas oczekiwania po wzbudzeniu oraz parametry kamery w taki sposób, aby stosunek ML/AG (tzw. indeks ML) był wystarczająco wysoki (zgodnie z opisem w kroku 2.2.4 i kroku 3.2.4), ponieważ poświecenie (afterglow) pełni rolę szumu tła dla wzoru ML (tj. sygnału pomiarowego).2,3,4.
  3. Wyznacz najwyższy punkt ML.
    1. Wyznacz położenie wierzchołka pęknięcia, uznając punkt o najwyższej wartości ML za wierzchołek pęknięcia.8,9.
      UWAGA: Można wyznaczyć najwyższy punkt ML poprzez inspekcja wizualna, oprogramowanie do przetwarzania obrazu, system automatycznego monitorowania oraz film z wykorzystaniem uczenia maszynowego (ML), jak pokazano w Rycina uzupełniająca 1.
  4. Utwórz obraz konturowy ML.
    1. Jeśli punkty i wzorce ML są trudne do rozróżnienia, należy utworzyć obraz konturowy ML i wykorzystać wzorce ML poprzez przekształcenie surowych obrazów ML za pomocą oprogramowania do przetwarzania obrazów, takiego jak ImageJ (patrz Tabela materiałów), jak pokazano w Rysunek 8.

Wyniki

Obrazy i filmy ML podczas testów DCB i LS rejestrowano odpowiednio za pomocą kamer dwukierunkowych i czterokierunkowych.

Rysunek 5C przedstawia obrazy i filmy ML w widoku bocznym, które mogą być wykorzystane do rozpoznania wierzchołka pęknięcia. Ponadto przedstawiono widok z góry, który odzwierciedla front zniszczenia w czasie propagacji pęknięcia podczas testu DCB. W tym przypadku elementami łączonymi były piaskowane aluminium (A5052, patrz na Tabela materiałów), klej składał się z dwóch komponentów kleju epoksydowego, a geometria była zgodna z normami międzynarodowymi. W odniesieniu do zjawisk ML w widoku bocznym, w miejscu początkowego pęknięcia zaobserwowano intensywną mechanoluminescencję ze względu na koncentrację naprężeń w tym punkcie. Następnie, w czasie propagacji pęknięcia, zaobserwowano na warstwie kleju przemieszczanie się punktu ML, który odpowiada wierzchołkowi pęknięcia. Wykorzystując obrazy ML w teście DCB, określono położenie wierzchołka pęknięcia podczas jego propagacji i wykorzystano je do obliczenia długości propagacji pęknięcia (a) oraz powiązanej z nią wartości odporności na pękanie G1c, zgodnie z wyjaśnieniem w kroku 2.2.7.

Rycina 6B przedstawia obrazy konturowe ML oraz filmy zarejestrowane podczas testu LS. Obrazy i filmy zostały nagrane przy użyciu systemu czterech kamer. W tym przypadku elementami łączonymi było aluminium poddanym piaskowaniu (A5052), a jako spoiwo zastosowano dwuskładnikowy klej epoksydowy. Rycina 6B dostarcza wyraźnych informacji na temat zachowania mechanicznego podczas procesu niszczenia pojedynczego zakładkowego złącza klejowego. W skrócie, intensywna mechanoluminescencja została najpierw zaobserwowana na krawędziach obszarów klejenia i zakładki. Następnie punkty ML przemieściły się z krawędzi kleju w stronę środka wzdłuż warstwy klejącej, pojawiając się jednocześnie w lewym i prawym widoku obrazu ML. Na koniec, po połączeniu się dwóch punktów ML w centrum, zaobserwowano intensywną mechanoluminescencję w punkcie centralnym warstwy kleju. Obrazy ML w teście LS mogą być wykorzystane do zrozumienia zachowania mechanicznego złączy klejowych podczas procesu niszczenia, który jest trudny do symulacji.

Równowaga statyczna przedstawiająca obraz ML i symulację odkształcenia; schematy zachowania dynamicznego i udarowego.
Rycina 1: Właściwości czujnika ML. (A) Mechanoluminescencja pod obciążeniem rozciągającym dla płyty ze stali nierdzewnej z otworem oraz analiza numeryczna (symulacja) rozkładu odkształcenia Misesa. (B) Przykłady wizualnego wykrywania ML w celu wizualizacji dynamicznego mechanicznego zachowania 2D/3D produktów, materiałów konstrukcyjnych i materiałów do druku 3D pod wpływem obciążenia mechanicznego, wibracji i udaru. Strzałki z literą „F” wskazują kierunek siły przy obciążeniu mechanicznym. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Diagram energii odporności na pękanie; DCB, T-DCB, rozciąganie zwarte, ścinanie zakładkowe, T-peel, rozciąganie poprzeczne.
Rysunek 2: Wizualne wykrywanie ML dla różnych międzynarodowych zestandaryzowanych testów oceny adhezji. Standardy te opisują metody uzyskiwania różnych wskaźników wytrzymałości adhezyjnej, takich jak energia odporności na pękanie (Gc), wytrzymałość na ścinanie rozciągające (TSS), wytrzymałość na odrywanie oraz wytrzymałość na rozciąganie poprzeczne (CTS). Strzałki wskazują kierunek siły poddanej obciążeniu mechanicznemu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Nakładanie farby ML i natrysk; schemat i ustawienie eksperymentu dla analizy powłok powierzchniowych na CFRP i Al.
Rysunek 3: Nakładanie farby do czujników ML. (A) Przykłady farby ML i puszek w sprayu oraz (B) zdjęcie procesu natryskiwania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Próbka natryskana farbą ML; schematy warstwy klejowej w testach DCB i SLS; analiza strukturalna.
Rysunek 4: Ilustracja próbek natryskanych farbą ML. (A) Próbka DCB oraz (B) próbka LS. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Układ równowagi statycznej z kamerami, niebieskim LED; schemat przedstawiający wierzchołek pęknięcia i analizę frontu zniszczenia.
Rycina 5: Pomiar ML podczas testu DCB. (A) Zdjęcie układu eksperymentalnego i (B) ilustracja pozycji kamer. (C) Pomiar ML podczas testu DCB. CAM 1 i CAM 2 oznaczają kamery CCD opisane w kroku 2.1.2. Strzałki wskazują kierunek siły pod obciążeniem mechanicznym. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Układ testu ścinania w dużym stopniu z niebieską diodą LED, kamerami i farbą ML do analizy sił; wyniki luminancji konturowej.
Rycina 6: Pomiar ML podczas testu LS. (A) Układ eksperymentalny i (B) pomiar ML podczas testu LS z wykorzystaniem czterokierunkowego systemu kamer. Strzałki wskazują kierunek siły pod obciążeniem mechanicznym. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykres mechanoluminescencji i poświaty; luminancja w funkcji czasu pod obciążeniem mechanicznym; analiza emisji.
Rysunek 7: Podstawowe właściwości zastosowanego czujnika ML. (A) Intensywność ML w kolejnych cyklach obciążenia i (B) zależność między intensywnościami ML i AG a czasem oczekiwania po pobudzeniu za pomocą niebieskiej diody LED. Wstawka ilustruje definicję intensywności ML i AG na krzywej luminancji w funkcji czasu. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Analiza wierzchołka pęknięcia w materiale; obraz surowy i konturowy; skala luminancji; wskazany kierunek naprężeń.
Rysunek 8: Porównanie ekspresji ML na obrazach ML. (A) Obraz surowy w skali szarości 12-bitowej oraz (B) obraz konturowy. Strzałki z literą „F” wskazują kierunek siły przy obciążeniu mechanicznym. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Film 1: Film ML podczas testu DCB. Częstotliwość rejestracji: 1 fps. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.

Film 2: Film ML podczas testu LS. Częstotliwość nagrywania: 25 fps. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.

Rycina uzupełniająca 1: Metody odróżniania położenia punktu najwyższej intensywności ML. (A) Inspekcja wizualna, (B) oprogramowanie do przetwarzania obrazów oraz (C) system automatycznego monitorowania. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

Jeśli chodzi o zachowanie ML obserwowane z boku, na końcu początkowego pęknięcia zarejestrowano intensywną mechanoluminescencję wynikającą ze stężenia odkształcenia (ryc. 5C). Następnie zaobserwowano ruch punktu ML wzdłuż warstwy kleju w czasie propagacji pęknięcia, odbijając wierzchołek pęknięcia. W poprzednich badaniach obserwacje mikroskopowe wykazały, że najwyższy punkt ML znajdował się zaledwie 0-20 μm przed wierzchołkiem pęknięcia i mógł być przyjęty jako odniesienie dla pozycji wierzchołka pęknięcia8. W konwencjonalnej metodzie końcówka pęknięcia jest identyfikowana za pomocą oględzin, ale prowadzi to do znacznego błędu ludzkiego ze względu na mały rozmiar końcówki pęknięcia, nawet przy użyciu szkła powiększającego. W szczególności wymagana jest cierpliwość, aby zaznaczyć położenie końcówki pęknięcia podczas testu DCB, co z kolei wymaga kilku minut, szczególnie w przypadku strukturalnych połączeń klejowych 16,17,18. Dlatego wizualizacja ML w teście DCB jest ważna dla automatycznego i bardziej precyzyjnego określenia położenia końcówki pęknięcia. Wcześniej położenie i kształt linii ML w widoku z góry były wyświetlane tak, aby były zsynchronizowane z linią frontu uszkodzenia pęknięć w warstwie kleju9. W związku z tym wyczuwanie ML w górnym widoku przylegania zostało wykorzystane jako wskaźnik wewnętrznych pęknięć od zewnętrznej powierzchni przylegania.

Jednak ograniczenia tej metody obejmują ciemne środowisko testowe oraz spadek intensywności ML i AG podczas testu DCB w ciągu kilku minut, jak pokazano na rysunku 7B. Prowadzi to do niejasnego punktu ML i wzoru AG, które odzwierciedlają odpowiednio wierzchołek pęknięcia i geometrię próbki. Aby przezwyciężyć to ograniczenie, do napromieniowania próbki DCB podczas testu DCB w celu wyjaśnienia stanu próbki9 użyto światła podczerwonego, takiego jak światło o długości fali 850 nm, które nie wpływa na materiał SrAl2O4:Eu2+ ML. Alternatywnie, niebieskie światło o długości fali 470 nm służy do oświetlania próbki przez 1 s co 5 minut lub 10 minut w celu przywrócenia intensywności ML i AG nawet podczas badania DCB 2,9, jak wyjaśniono na rysunku 7A.

Obrazy konturów ML i filmy podczas testu LS zostały zarejestrowane za pomocą czterokierunkowego systemu kamer (rysunek 6C). W tym przypadku adherendami było piaskowane aluminium (A5052), a klejem był dwuskładnikowy klej epoksydowy. Wartość wytrzymałości na ścinanie przy rozciąganiu (TSS) wynosiła 23 MPa, a obliczono ją na podstawie wartości obciążenia (N) przy zerwaniu pod obciążeniem rozciągającym i powierzchni kleju (mm2). Ponadto wartość TSS można uznać za wskaźnik wytrzymałości strukturalnego połączenia klejowego18. Chociaż wartość TSS jest zwykle używana jako wskaźnik siły klejenia, właściwości fizyczne tła, takie jak zachowanie mechaniczne, które mają kluczowe znaczenie dla poprawy konstrukcji złącza, nie zostały zbadane.

Obrazy ML wyraźnie dostarczyły informacji na temat zachowania mechanicznego podczas procesu niszczenia pojedynczego połączenia adhezyjnego (ryc. 6C). Krótko mówiąc, po raz pierwszy zaobserwowano intensywną mechanoluminescencję na krawędzi obszaru klejonego i docieranego, co pokazuje koncentrację odkształceń na wczesnym etapie testu LS. Po drugie, punkty ML przesunęły się z obu krawędzi kleju do środka wzdłuż warstwy kleju, aby pojawić się razem w lewym i prawym widoku obrazów ML. Wskazuje to na odkształcenie ścinające i propagację pęknięć wzdłuż warstwy kleju, co w tym przypadku oznacza uszkodzenie kohezyjne (CF).

Dodatkowo linie ML w widoku z przodu i z tyłu wskazywały na występowanie propagacji pęknięć, które są tym samym zjawiskiem, co w teście DCB. Wreszcie, po połączeniu dwóch punktów ML w środku, zaobserwowano intensywną mechanoluminescencję w środkowym punkcie warstwy kleju. Wskazywało to na koncentrację odkształceń w warstwie kleju i późniejsze generowanie pęknięcia poprzecznego w poprzek warstwy kleju, podobnie jak w poprzedniej pracy11. Informacje te są przydatne do określenia lokalizacji koncentracji naprężeń/odkształceń. W związku z tym oznacza to, że poprawa dyspersji naprężeń jest wymagana do uzyskania mocnej i niezawodnej konstrukcji złącza.

W przeciwieństwie do testu DCB, test LS powoduje szybkie pękanie połączeń klejowych. Test LS generuje dużą szybkość odkształcania w warstwie adhezyjnej, po której następuje bardzo intensywna mechanoluminescencja, która nasyca się w zarejestrowanym obrazie ML, kumuluje wiele zdarzeń na jednym obrazie i tworzy niewyraźny obraz ML. W takich przypadkach do rozwiązywania problemów można wykorzystać mądry wybór szybkości nagrywania (np. wybór wysokiej szybkości nagrywania, takiej jak 25 kl./s, która odpowiada szybkości zdarzenia w teście LS)11.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

To badanie było wspierane przez pionierski projekt zlecony przez Organizację Rozwoju Nowej Energii i Technologii Przemysłowych (NEDO) oraz Program Badawczo-Rozwojowy na rzecz Promowania Innowacyjnych Technologii Czystej Energii poprzez Współpracę Międzynarodową (JPNP20005) zlecony przez NEDO. N. T. jest wdzięczny firmie Shimadzu Co. za dostarczenie oprogramowania do automatycznego monitorowania punktów o największej intensywności ML na rysunku uzupełniającym 1. N. T. jest wdzięczny Pani Y. Nogami i Pani H. Kawahara za natryskiwanie farby ML do testów ML. Ponadto N. T. jest wdzięczny Pani Y. Kato, Pani M. Iseki, Pani Y. Sugawa, Pani C. Hirakawa, Pani Y. Sakamoto i Pani S. Sano za pomoc w pomiarach i analizie ML w zespole ds. detekcji wizualnej 4D (AIST).

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Płytaaluminiowa Engineering Test Service Co., Ltd.A5052 A5052 to nazwa zdefiniowana jako jakość aluminium w normach.
Niebieska dioda LEDMORITEX Co.Kamera MBRL-CB13015
BaumerTXG04 lub VLU-12CCD lub CMOS
Miernik grubości powłoki KETTLZ-373
Klej epoksydowyNagase ChemteX Co.Denatite2202strukturalny adekwatny
ImageJNational Institutes of HealthImage J 1.53KOprogramowanie do przetwarzania obrazu
Maszyna do testowania mechanicznego SHIMADZU Co.EZ Test EZ-LX
Farba mechanoluminescnet (ML)Sakai Chemical Industry Co., Ltd.ML-F2ET3Farba ML w 1.1  to 2-składnikowa farba epoksydowa i składająca się z głównego odczynnika epoksydowego i odczynnika utwardzającego, jak opisano w 1.2.1.  SrAl2O4:Eu2+ Ceramiczny pertyk ML znajduje się w głównym odczynniku epoksydowym.
MikroskopkeyenceVHX-6000
Stal nierdzewna  płytaEngineering Test Service Co., Ltd.SUS631A631 to nazwa zdefiniowana jako jakość stali nierdzewnej w normach.
LepkościomierzSekonic. Co.Viscomate VM-10A

Bibliografia

  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).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Ocena złączy klejonychdetekcja mechanoluminescencyjnazachowanie mechanicznemetoda dwubelki wspornikowej (DCB)test ścinania zakładkowegorozkład naprężeńmonitorowanie stanu konstrukcjiodporność na pękanie
Mechanoluminescencyjna wizualizacja propagacji pęknięć do wspólnej oceny
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.