Artykuł metodologiczny

Mechanoluminescencyjna wizualizacja propagacji pęknięć do wspólnej oceny

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Obecne badanie zostało przeprowadzone przy użyciu próbek DCB. DCB to standardowa próbka testowa, która jest często używana do badania wzrostu pęknięć i mechaniki pękania16,17,18.

1. Przygotowanie próbki do badań

  1. Przed nałożeniem farby ML należy wykonać wstępną obróbkę powierzchni (patrz Tabela materiałów). Przetrzyj powierzchnię próbki testowej (na którą użytkownik chce spryskać farbę ML) rozpuszczalnikiem, takim jak alkohol izopropylowy (IPA) lub etanol do odtłuszczania powierzchni.
  2. Przygotuj i nałóż farbę ML, wykonując poniższe czynności.
    1. Odważyć 20 g głównego odczynnika epoksydowego do farby ML (patrz tabela materiałów), w tym SrAl2O4:Eu2+ ML materiału, oraz 3,1 g odczynnika utwardzającego i wymieszać je z rozpuszczalnikiem organicznym, takim jak toluen i octan etylu, w miarce do uzyskania lepkości 100 mPa·s.
    2. Nałóż farbę ML na powierzchnię próbki DCB, natryskowując ją za pomocą sprayu powietrznego lub puszki z aerozolem (Rysunek 3).
    3. Suszyć próbkę stopniowo przez noc w temperaturze pokojowej.
      UWAGA: Farba ML została przygotowana przez zmieszanie ML i żywic polimerowych. ML materials1,2,3,4 i materiały polimerowe mogą być używane w przeciwieństwie do komercyjnych farb ML. Jednak protokół w tym badaniu jest opisany przy użyciu komercyjnej farby ML lub puszek z aerozolem (jak pokazano na Rysunek 3) w celu zapewnienia dobrej wydajności. Chociaż współczynnik zawartości materiału ML zależy od wydajności, 25% wag. lub ponad 50% wag. materiału ML zostało wybrane jako współczynnik zawartości w ML paint22. Lepkość opisana w kroku 1.2.1 została oceniona za pomocą lepkościomierza8,9 (patrz Tabela materiałów).
  3. Po obróbce utwardzić próbkę przez podgrzanie farby ML rozpylonej na próbkę w temperaturze 80 °C przez 1 h.
    UWAGA: Warunki obróbki końcowej muszą mieścić się w zakresie warunków, które są odpowiednie do utwardzania żywicy farby ML i które nie wpływają na badany element i wydajność wiązania.
  4. Wykonaj potwierdzenie jakości.
    1. Upewnij się, że rozpylona farba ML jest mniej więcej jednolita na powierzchni.
    2. Zapewnić grubość około 50-100 μm za pomocą mikroskopu lub miernika grubości powłoki8 (Rysunek 4).
      UWAGA: Niska grubość jest odpowiednia, aby zapobiec rozkładowi obciążenia w odczynniku epoksydowym ML. Jednorodność rozpylonej farby ML jest niezbędna do wykorzystania wizualizacji ML do testowania klejów, ponieważ można zaobserwować intensywną mechanoluminescencję na końcu pęknięcia ze względu na wysoką koncentrację naprężeń. W związku z tym rozpyloną farbę ML wyraża się jako "mniej więcej jednolitą" w kroku 1.4.1.

2. Pomiar ML dla testu DCB

  1. W przypadku konfiguracji eksperymentalnej pomiaru uczenia maszynowego wykonaj następujące kroki.
    1. Zamontuj próbkę pomalowaną farbą ML na mechanicznej maszynie wytrzymałościowej za pomocą specjalnego zygzaka (patrz Tabela materiałów) dla testu DCB16,17,18, jak pokazano w Rysunek 5A.
      UWAGA: Próbki testowe DCB muszą być zgodne z międzynarodowymi standardami testów DCB16,17,18.
    2. Umieść kamery (CCD, urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym lub CMOS, komplementarny półprzewodnik z tlenku metalu; patrz Tabela materiałów) przed każdą powierzchnią badanej próbki tak, aby były skierowane w stronę pozycji końcówki pęknięcia, która ma być monitorowana8,9,10,11,12 (Rysunek 5B). Sprawdź warunki panujące w kamerze, aby upewnić się, że może ona rejestrować poświatę (AG) podczas szacowanego czasu pomiaru w testach mechanicznych.
      UWAGA: Chociaż czterokierunkowy system kamer nie jest obowiązkowy dla wszystkich kierunków próbki, liczba kamer zależy od twarzy próbki, na której użytkownik chce ustawić ostrość i nagrywać.
  2. Wykonaj obserwację uczenia maszynowego w teście DCB.
    1. Ustaw otoczenie tak, aby zapewnić ciemność.
    2. Ustaw warunki nagrywania kamery: szybkość nagrywania = 1 lub 2 klatki na sekundę (kl./s); czas ekspozycji = 0,5 s lub 1 s; i wzmocnienie = maksimum.
    3. Naświetlić próbkę DCB pomalowaną farbą ML niebieskim światłem o długości fali 470 nm w celu wzbudzenia za pomocą niebieskiej diody LED (patrz tabela materiałów) ze wszystkich kierunków kamery przez 1 minutę.
    4. Rozpocznij nagrywanie z kamery 5 s przed zakończeniem naświetlania światłem niebieskim.
    5. Odczekaj w ciemności przez 1 minutę, aby upewnić się, że poświata się uspokoi.
      UWAGA: Czas stabilizacji można zmienić w zależności od rodzaju materiału detekcyjnego ML i kamery, zwłaszcza w odniesieniu do równowagi intensywności mechanoluminescencji i poświaty w nagranych filmach.
    6. Zastosuj obciążenie mechaniczne16,17,18 za pomocą mechanicznej maszyny wytrzymałościowej o prędkości obciążenia 1 mm/min, aby uzyskać obraz ML (Rysunek 5C i film 1).
    7. Oblicz długość pęknięcia (a), korzystając z informacji o położeniu końcówki rysy, która jest wyznaczana na podstawie punktu ML podczas propagacji pęknięć w próbce malowanej farbą ML (film 1), aby uzyskać odporność na pękanie, G1c (kJ/m2), wartość za pomocą równania 18,9,16,17,18.
      UWAGA: figure-protocol-1 (Równanie 1)
      gdzie 2H oznacza grubość (mm) próbki DCB, B oznacza szerokość próbki, λ oznacza zgodność z przemieszczeniem otworu rys (ChZT) (mm/N), Pc oznacza obciążenie (N), a α1 oznacza nachylenie (a/2H) i (B/λ)1/3.

3. Pomiar ML dla testu ścinania na kolano (LS)

  1. Aby uzyskać eksperymentalną konfigurację do pomiarów ML, zamontuj próbkę LS namalowaną farbą ML na mechanicznej maszynie wytrzymałościowej19,20, jak pokazano w Rysunek 6A.
  2. Umieść kamery (kamerę CCD lub CMOS) przed każdą powierzchnią próbki testowej tak, aby były skierowane w stronę pozycji końcówki pęknięcia, która ma być monitorowana (Rysunek 6A).
    UWAGA: Próbki testowe LS muszą być zgodne z międzynarodowymi standardami dla testu LS19,20. W przypadku połączeń z różnych materiałów, na każdej z czterech powierzchni próbek LS pojawią się różne rozkłady odkształceń. W związku z tym zaleca się stosowanie czterokierunkowego systemu kamer lub co najmniej dwukierunkowego systemu kamer na każdej z czterech powierzchni, jak pokazano na Rysunek 6A, aby uchwycić dwie powierzchnie za pomocą każdej kamery pod kątem 45° do każdej powierzchni.
  3. Wykonaj obserwację ML w teście ścinania lap-slash (LS).
    1. Utrzymuj ciemne warunki.
    2. Ustaw warunki nagrywania kamery: szybkość nagrywania = 10-50 kl./s; czas ekspozycji = 0.02 s lub 0.1 s; wzmocnienie = maksimum.
    3. Naświetlić próbkę DCB pomalowaną farbą ML niebieskim światłem o długości fali 470 nm w celu wzbudzenia za pomocą niebieskiej diody LED ze wszystkich kierunków kamery przez 1 minutę.
    4. Rozpocznij nagrywanie z kamery 5 s przed zakończeniem naświetlania światłem niebieskim.
    5. Poczekaj w ciemności przez 30 sekund, aż poświata się uspokoi.
      UWAGA: Czas osiadania można zmienić w zależności od użytego materiału detekcji ML i kamery, szczególnie w odniesieniu do równowagi intensywności mechanoluminescencji i poświaty w nagranych filmach.
    6. Zastosuj obciążenie mechaniczne19,20 za pomocą mechanicznej maszyny wytrzymałościowej o szybkości ładowania 1-5 mm/min, aby uzyskać obrazy ML (Rysunek 6B i film 2).

4. Informacje do pomiaru ML i analizy danych

  1. Wykonaj wzbudzenie przed testem ML.
    1. Chociaż intensywność ML jest proporcjonalna do energii odkształcenia, intensywność ML stopniowo maleje w zależności od cykli obciążenia2,3,6,12, jak pokazano w Rysunek 7A. Dlatego należy przeprowadzić wzbudzenie przed testem ML, aby wygenerować powtarzalne wyniki ML, jak wspomniano w kroku 2.2.3 i kroku 3.2.3.
  2. Wybierz czas oczekiwania na wysoki współczynnik ML/AG.
    UWAGA: Czujnik ML pokazuje poświatę (AG) po wzbudzeniu jako długi trwały luminofor i pokazuje mechanoluminescencję w momencie przyłożenia obciążenia, jak pokazano na Rysunek 7B.
    1. Wybierz czas oczekiwania po wzbudzeniu i warunki kamery, aby upewnić się, że stosunek ML/AG (tzw. indeks ML) jest wystarczająco wysoki (jak wspomniano w kroku 2.2.4 i kroku 3.2.4), ponieważ poświata działa jako szum bazowy w stosunku do wzorca ML (tj. sygnału pomiarowego)2,3,4.
  3. Określ najwyższy punkt uczenia maszynowego.
    1. Określ położenie końcówki rysy, rozpoznając pozycję z najwyższym punktem ML jako końcówkę pęknięcia8,9.
      UWAGA: Najwyższy punkt ML można określić za pomocą oględzin, oprogramowania do przetwarzania obrazu, systemu automatycznego monitorowania i filmu ML, jak pokazano na rysunku uzupełniającym 1.
  4. Utwórz obraz konturu uczenia maszynowego.
    1. Jeśli punkty i wzorce uczenia maszynowego są trudne do odróżnienia, utwórz obraz konturu uczenia maszynowego i użyj wzorców uczenia maszynowego, konwertując surowe obrazy uczenia maszynowego za pomocą oprogramowania do przetwarzania obrazu, takiego jak ImageJ (patrz tabela materiałów), jak pokazano w Rysunek 8.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ML obrazy i filmy podczas testu DCB i LS zostały zebrane za pomocą kamer dwukierunkowych i czterokierunkowych, odpowiednio.

Rysunek 5C pokazuje obrazy i filmy ML w widoku z boku, które mogą być użyte do rozpoznania końcówki pęknięcia. Ponadto pokazano widok z góry, aby odzwierciedlić front uszkodzenia w czasie propagacji pęknięć podczas testu DCB. W tym przypadku kleje wykonano z piaskowanego aluminium (A5052, patrz tabela materiałów), klej składał się z dwóch składników kleju epoksydowego, a geometria była zgodna z międzynarodowymi standardami. Jeśli chodzi o zachowania ML w widoku z boku, zaobserwowano intensywną mechanoluminescencję w miejscu początkowego pęknięcia ze względu na koncentrację odkształceń w tym punkcie. Następnie zaobserwowano ruch punktu ML, który odbija wierzchołek pęknięcia, na warstwie kleju w czasie propagacji pęknięcia. Korzystając z obrazów ML w teście DCB, zdefiniowano położenie wierzchołka pęknięcia podczas propagacji pęknięcia i wykorzystano je do obliczenia długości propagacji pęknięcia (a) i związanej z nią wartości odporności na pękanie, G1c, jak wyjaśniono w kroku 2.2.7.

Rysunek 6B pokazuje obrazy konturów ML i filmy podczas testu LS. Zdjęcia i filmy zostały zarejestrowane za pomocą czterokierunkowego systemu kamer. W tym przypadku adherendami było piaskowane aluminium (A5052), a klejem był dwuskładnikowy klej epoksydowy. Rysunek 6B wyraźnie dostarcza informacji na temat mechanicznego zachowania podczas procesu niszczenia pojedynczego złącza adhezyjnego. Krótko mówiąc, po raz pierwszy zaobserwowano intensywną mechanoluminescencję na krawędziach obszarów klejonych i docieranych. Po drugie, punkty ML przesunęły się od krawędzi kleju do środka wzdłuż warstwy kleju, aby pojawić się razem w lewym i prawym widoku obrazu ML. Wreszcie, po połączeniu dwóch punktów ML w środku, zaobserwowano intensywną mechanoluminescencję w środkowym punkcie warstwy kleju. Obrazy ML w teście LS można wykorzystać do zrozumienia mechanicznego zachowania połączeń klejowych podczas procesu niszczenia, który jest trudny do symulacji.

figure-results-1
Rysunek 1: Właściwości czujnika ML. (A) Mechanoluminescencja pod obciążeniem rozciągającym dla płyty ze stali nierdzewnej z otworem i analizą numeryczną (symulacją) rozkładu odkształceń Misesa. (B) Przykłady wykrywania wizualnego ML w celu wizualizacji dynamicznego mechanicznego zachowania 2D / 3D produktów, materiałów konstrukcyjnych i materiałów do drukowania 3D pod wpływem obciążenia mechanicznego, wibracji i uderzenia. Strzałki oznaczone literą "F" wskazują kierunek siły pod obciążeniem mechanicznym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rysunek 2: Wykrywanie wizualne ML dla różnych międzynarodowo ustandaryzowanych testów oceny klejów. Normy te opisują metody uzyskiwania różnych wskaźników wytrzymałości adhezji, takich jak energia odporności na pękanie (Gc), wytrzymałość na ścinanie przy rozciąganiu (TSS), wytrzymałość na odrywanie i wytrzymałość na rozciąganie krzyżowe (CTS). Strzałki wskazują kierunek siły pod obciążeniem mechanicznym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-3
Rysunek 3: Nakładanie farby z czujnika ML. (A) Przykłady farb ML i sprayów oraz (B) zdjęcie sprayu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-4
Rysunek 4: Ilustracja próbek malowanych farbą ML. (A) Próbka DCB i (B) próbka LS. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-5
Rysunek 5: Pomiar ML podczas testu DCB. (A) Zdjęcie układu eksperymentalnego i (B) ilustracja pozycji kamery. C) Pomiar ML podczas badania DCB. CAM 1 i CAM 2 oznaczają kamerę CCD opisaną w kroku 2.1.2. Strzałki wskazują kierunek siły pod obciążeniem mechanicznym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-6
Rysunek 6: Pomiar ML podczas testu LS. (A) Konfiguracja eksperymentalna i (B) Pomiar ML podczas testu LS przy użyciu czterokierunkowego systemu kamer. Strzałki wskazują kierunek siły pod obciążeniem mechanicznym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-7
Rysunek 7: Podstawowe właściwości zastosowanego czujnika ML. (A) Intensywność ML w różnych cyklach obciążenia oraz (B) zależność między intensywnościami ML i AG a czasem oczekiwania po wzbudzeniu za pomocą niebieskiej diody LED. Wstawka ilustruje definicję intensywności ML i AG na krzywej czas-luminancja. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-8
Rysunek 8: Porównanie wyrażeń ML w obrazach ML. (A) Surowy obraz w 12-bitowej skali szarości i (B) obraz konturowy. Strzałki oznaczone literą "F" wskazują kierunek siły pod obciążeniem mechanicznym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Film 1: Film ML podczas testu DCB. Szybkość nagrywania: 1 kl./s. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.

Film 2: Film ML podczas testu LS. Szybkość nagrywania: 25 kl./s. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.

Rysunek uzupełniający 1: Metody rozróżniania pozycji punktu o największej intensywności ML. (A) oględziny, (B) oprogramowanie do przetwarzania obrazu oraz (C) system automatycznego monitorowania. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Ocena z czy klejonychdetekcja mechanoluminescencyjnazachowanie mechanicznemetoda dwubelki wspornikowej DCBtest cinania zak adkowegorozk ad napr emonitorowanie stanu konstrukcjiodporno na p kanie

Powiązane artykuły