Materiały kompozytowe na osnowie ceramicznej i ich właściwości zginania

1. Wykonanie jednej próbki tynku zwykłego

1. 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.
2. 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.
3. 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.

2. Wykonanie dwóch próbek kompozytowych

1. 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.
2. 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.

3. Przeprowadzanie eksperymentów

1. 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.
2. 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.
3. Użyj programu LabVIEW na komputerze, aby zebrać dane z każdego testu do pliku tekstowego.

4. Program MATLAB

1. Utwórz program MATLAB, który wykona następujące czynności:
2. 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)
3. Oblicz wytrzymałość na zginanie i odkształcenie przy zginaniu każdej próbki:
   Wytrzymałość na zginanie σ_f = (3FL)/(2wt²) (4)
   Odkształcenie zginające ε_f = (6Dt)/(L²) (5)
4. Wykreślić krzywą naprężenie-odkształcenie dla każdej próbki. Niech ε_f będzie osią poziomą, a σ_f będzie osią pionową.
5. Znajdź maksymalne wartości σ_f i ε_f dla każdej próbki. W przypadku próbek złożonych wybierz wartość ε_f odpowiadającą maksymalnej wartości σ_f.
6. Znajdź moduł sprężystości przy zginaniu E_f, obliczając nachylenie krzywej w obszarze sprężystym.
7. Znajdź obszar pod każdą krzywą naprężenie-odkształcenie.

5. Analiza danych

1. 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:
   (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.
2. 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.
3. 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:
   V_F = ułamek objętościowy włókna = (objętość włókna)/(całkowita objętość próbki)
   Objętość włókna = (masa włókna)/(gęstość włókna)
   Ułamek objętościowy gipsu = V_P = 1- V_F .

	Gęstość, g/ml	Wytrzymałość na zginanie, MPa
Cięte włókna szklane	2.5	35
Taśma z włókna szklanego	0.45	35
Tynk	NA	NA

Tabela 1. Właściwości materiału.