Fonte: Sina Shahbazmohamadi e Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti, Escola de Engenharia, Universidade de Connecticut, Storrs, CT
Ossos são compósitos, feitos de matriz cerâmica e reforços de fibra de polímero. A cerâmica contribui com força compressiva, e o polímero proporciona resistência à tração e flexural. Ao combinar materiais cerâmicos e polímeros em diferentes quantidades, o corpo pode criar materiais exclusivos sob medida para uma aplicação específica. Como engenheiros biomédicos, ter a capacidade de substituir e replicar osso devido a doenças ou lesões traumáticas é uma faceta vital da ciência médica.
Neste experimento, criaremos três diferentes compósitos de matriz cerâmica com gesso de Paris (que é um composto de sulfato de cálcio), e permitiremos que eles sejam submetidos a um teste de dobra de três pontos, a fim de determinar qual preparação é a mais forte. Os três compósitos são os seguintes: um composto apenas de gesso de Paris, um com fragmentos de vidro picados misturados em uma matriz de gesso e, por último, uma matriz de gesso com uma rede de fibra de vidro embutida dentro dela.
Quando um determinado material precisa ser testado, um dos principais métodos de testar a força de menos materiais dúcteis é um teste de dobra de três pontos. O teste de dobra de três pontos é um método que permite que uma determinada amostra experimente uma combinação de forças (compressivas e tração), bem como um plano de estresse de cisalhamento no meio do material que é representativo da maioria das forças a que os ossos humanos são constantemente submetidos. Com os resultados deste experimento pode-se alcançar uma melhor compreensão dos materiais compostos, juntamente com o escopo e limitações desses biomateriais.
No teste de dobra de 3 pontos, a parte inferior da amostra está em tensão, a parte superior está em compressão, e há um plano de cisalhamento no meio da amostra (Figura 1).
Figura 1: Representação esquemática do teste de dobra de 3 pontos.
Osso vivo pode remodelar e se reestruturar para acomodar essas forças. Por exemplo, nos ossos das costelas há uma alta concentração de fase mineral no interior da curva (onde há forças compressivas) e uma alta concentração de fibras de colágeno na parte externa da curva (onde há forças de tração).
As propriedades de um composto são baseadas nas propriedades de sua matriz e materiais de enchimento. Várias fórmulas foram desenvolvidas para calcular a força geral e o módulo de um composto em função do tipo e quantidade de enchimentos. A mais simples delas é a “regra das misturas”, que dá o valor teórico máximo do imóvel em questão. A regra das misturas para a força flexural é dada abaixo:
σcomp = σmVm + σ1V1 + σ2V2 + … (1)
Onde:
σcomp = máximo de força teórica do composto
σm = força da matriz
σ1, 2 de σ… = pontos fortes dos materiais de enchimento 1, 2, etc.
Vm, V1, V2,.. = frações de volume da matriz e enchimentos.
1. Fazer uma amostra de gesso simples
2. Fazer duas amostras compostas
3. Realizando experimentos
4. Programa MATLAB
5. Análise de dados
Densidade, g/ml | Força flexural, MPa | |
Fibras de vidro picadas | 2.5 | 35 |
Fita de fibra de vidro | 0.45 | 35 |
Gesso | NA | NA |
Mesa 1. Propriedades materiais.
Um composto é um material formado pela combinação de uma matriz e um ou mais materiais de reforço. A força total de dobra de um composto depende das propriedades dos materiais que ele é composto. Uma cerâmica é um material duro com fortes propriedades de compressão, mas este material também é muito frágil. Ao misturar fibras de vidro ou polímeros, ele se transforma em um material mais dúctil.
Por exemplo, em compósitos ósseos artificiais, a cerâmica fornece a força compressiva necessária, enquanto as fibras de polímero adicionam a resistência à tração e flexural a ele. Ao combinar materiais cerâmicos e polímeros em diferentes quantidades, materiais únicos podem ser criados sob medida para uma aplicação específica.
Este vídeo ilustrará como fazer três compósitos de matriz cerâmica com gesso de Paris e determinar qual preparação tem as propriedades de dobra mais fortes. A força flexural dessas amostras seria medida usando o teste de dobra de três pontos.
Vamos dar uma olhada mais de perto no teste de dobra de três pontos. Neste método, uma amostra em forma de barra é montada longitudinalmente em dois pinos paralelos. A montagem deve ser tal que permite que o material se estendam, bem como se dobre sob uma força externa.
Neste teste, é aplicada uma força externa perpendicular à amostra no meio. Como resultado, ele sofre força de compressão no lado onde a carga externa é aplicada e força de tração no lado oposto onde é esticada. A combinação dessas duas forças também cria uma área de estresse ao longo da linha média.
Estas três forças juntas decidem a força flexível ou flexível de uma determinada amostra. Com um aumento da força externa, a quantidade de dobra ou deflexão de um material também aumenta até que o material falhe. A tensão flexural em um material pode ser calculada usando a deflexão, comprimento de extensão e espessura da amostra. O estresse flexural do material pode ser calculado a partir da força aplicada, comprimento de extensão, largura e espessura da amostra.
O teste de dobra de três pontos dá um estresse flexural e uma curva de tensão de um material. A inclinação de uma curva na região elástica representa o módulo flexural da amostra e mede o quanto um determinado material pode ser flexionado. A área sob a curva de tensão representa a quantidade de energia absorvida por um material antes da falha, portanto, é uma medida da dureza do material.
Teoricamente, a força flexural máxima de um composto pode ser calculada com a regra das misturas utilizando a força flexural máxima de sua matriz e materiais de reforço sob frações de volume.
Agora que você entende como funciona o método de dobra de três pontos e como medir as propriedades de dobra do material, vamos fazer três compósitos baseados em cerâmica e descobrir qual deles tem a maior força de dobra.
Primeiro vamos fazer três amostras de compósitos de matriz cerâmica. Para começar, obtenha um molde de borracha azul que pode fazer três amostras em forma de barra. Faremos sua primeira amostra do gesso simples. Para começar, pese 40 gramas de pó de gesso seco em um copo plástico e adicione lentamente 20 mililitros de água deionizada e mexa com uma vara até que uma consistência lisa seja alcançada. Prossiga imediatamente para o próximo passo porque o gesso começa a endurecer em aproximadamente cinco minutos. Em seguida, despeje o chorume resultante em um dos compartimentos do molde. Encha o molde completamente e alise-o com a vara. Finalmente, jogue fora o copo e qualquer excesso de gesso. Por favor, mantenha o bastão para uso futuro.
Você fará sua segunda amostra composta usando o pó de gesso e fibras de vidro picadas. Para isso, primeiro pesar quatro gramas de fibras de vidro picadas em um copo de plástico. Em seguida, pese 40 gramas de pó de gesso no mesmo copo e adicione lentamente 20 mililitros de água deionizada. Continue mexendo o chorume com a vara até que as fibras estejam completamente misturadas e uma consistência suave seja alcançada. Despeje o chorume no segundo molde, conforme descrito para a amostra um.
Você fará a última amostra composta usando o pó de gesso simples e a fita de vidro de fibra. Para fazer isso, primeiro corte duas tiras de fita de vidro de fibra de cerca de cinco polegadas de comprimento e pese-as. Segundo, faça um chorume com um pó de gesso simples como fez para a primeira amostra.
Em seguida, despeje cerca de 1/3 do gesso no molde. Coloque uma tira de fita de vidro em cima do gesso e pressione para baixo com uma vara. Certifique-se sempre de que o gesso molha completamente o vidro de fibra e despeje cerca de 1/2 do gesso restante em cima da fita de vidro de fibra.
Em seguida, coloque a segunda tira de fita em cima do gesso e pressione-a para baixo com uma vara. Despeje o resto do gesso em cima da segunda tira e pressione-o para baixo com a vara.
Meça o comprimento médio, largura e altura de cada barra. Meça o comprimento de extensão da amostra em luminária de teste de três pontos usando calibres calibrados. Defina o instrumento UTM como zero e inicie uma velocidade de deslocamento adicional de cinco milímetros por minuto.
Para as amostras de gesso simples e fibra de vidro picada, execute o teste até que as amostras falhem. Para o composto de fita de fibra de vidro, execute o teste até que a deflexão seja de seis milímetros. Use o programa de exibição de laboratório em seu computador para coletar os dados de cada teste em um arquivo de texto.
UTM gera um único arquivo de texto de coluna para força e deflexão. A interface de exibição de laboratório classifica as leituras correspondentes em duas matrizes diferentes. Agora, converta os dados brutos em força e deflexão usando os números gerados pelo UTM e pelo valor máximo da célula de carga de 1.000.
Em seguida, usando os valores de força e deflexão, calcule o estresse flexural e a tensão. Trace a curva flexural de tensão-estresse das três amostras: gesso, composto de vidro picado e composto de fita de fibra. Encontre a força flexural máxima da curva. Encontre também a tensão flexural com a força máxima. Em seguida, calcule o módulo flexural e a área total sob a curva para cada amostra.
Por fim, compare os resultados das três amostras. Este experimento demonstra que a força desejada de uma amostra pode ser alcançada usando diferentes materiais de reforço. Examinando os dados da amostra, vemos que a fita de fibra de vidro fornece a maior força adicional. Ele também cobre a área máxima sob a curva, portanto é o mais resistente entre os três. O comprimento e a orientação da fibra afetam drasticamente as propriedades das amostras compostas.
Por exemplo, o reforço máximo só pode ser alcançado quando a fita de vidro de fibra é definida paralelamente às superfícies da amostra. Esta orientação espacial permite que a fita de vidro de fibra resista a forças adicionais à medida que a matriz de gesso falha. Peças mais longas permitiriam tração máxima sob o teste, pois há mais gesso em torno do reforço de vidro de fibra.
Os compósitos de matriz cerâmica são usados em uma ampla gama de campos: ciência espacial, bioengenharia e sistemas de quebra de automóveis. Compósitos de matriz cerâmica também são usados na sintetização de nossos ossos artificiais. Nossos ossos inerentemente têm uma forte estrutura composta, assim, ter a capacidade de substituir e replicar um osso devido a doença ou lesão traumática é componente importante da ciência médica.
Os compósitos cerâmicos também fornecem sistemas de quebra automotiva excepcionais devido à sua maior resistência, maior estabilidade térmica e menor desgaste. Por essas razões eles são usados em carros esportivos.
Você acabou de assistir a introdução de Jove a materiais compostos da matriz cerâmica e suas propriedades de dobra. Agora você deve entender como fazer um material composto, testar suas propriedades de dobra usando o teste de dobra de três pontos e compará-lo com os outros compósitos.
Obrigado por assistir.
O objetivo geral da série de testes acima mencionados é comparar as diferentes características físicas entre vários substitutos ósseos compostos. A resistência e a tensão flexis precisam ser calculadas usando as Equações 4 e 5, respectivamente. O estresse e a tensão de cada amostra serão traçados no MATLAB. A partir disso, a força flexural máxima e a tensão flexural correspondente podem ser encontradas para cada conjunto de dados. O estresse (σf1, σf2) e a tensão(εf1, εf2) para cada ponto de dados serão então utilizados na Equação 6, a fim de determinar o módulo flexural para cada amostra.
Este experimento foi projetado para estudar a força flexural em três tipos diferentes de material composto. Fabricamos três espécimes com diferentes materiais de reforço. A matriz era gesso de Paris (um composto de sulfato de cálcio), e usamos fibras de vidro picadas e fita de fibra de vidro como reforços. Realizamos teste de dobra de 3 pontos nas amostras fabricadas e analisamos os dados alcançados, comparando as propriedades dos compósitos feitos com fibras longas e orientadas versus fibras aleatórias curtas.
Os ossos têm inerentemente uma forte estrutura composta, uma adaptação às muitas forças diferentes que o corpo tem que suportar de forma consistente. A estrutura composta pode ser descrita como uma matriz cerâmica intercalada com fibras de polímero. O aspecto cerâmico proporciona alta resistência compressiva, enquanto as fibras de polímero dão origem a maior força flexural. Evidentemente, como engenheiros biomédicos, ter a capacidade de substituir e replicar osso devido a doença ou lesão traumática é uma faceta vital da ciência médica. Além disso, sintetizar tecidos de substituição adequados de vários metais, polímeros ou cerâmicas é uma alternativa viável. As substituições bioengenharia devem corresponder à funcionalidade de suas contrapartes biológicas, e a análise crítica e os testes de diferentes biomateriais se tornam cada vez mais importantes.
A composite is a material formed by combining a matrix and one or more reinforcement materials. The overall bending strength of a composite depends on the properties of the materials it is made up of. A ceramic is a hard material with strong compression properties, but this material is also very brittle. By mixing it glass or polymer fibers, it turns into a more ductile material.
For example, in artificial bone composites, the ceramic provides the required compressive strength while the polymer fibers add the tensile and flexural strength to it. By combining ceramic and polymer materials in different amounts, unique materials can be created tailored for a specific application.
This video will illustrate how to make three ceramic matrix composites with plaster of Paris and determine which preparation has the strongest bending properties. The flexural strength of these samples would measured using the three-point bending test.
Let us have a closer look at the three-point bending test. In this method a bar shaped sample is mounted lengthwise on two parallel pins. The mounting should be such that it allows the material to stretch as well as bend under an external force.
In this test, an external force is applied perpendicular to the sample in the middle. As a result, it undergoes compression force on the side where external load is applied and tensile force on the opposite side where it gets stretched. The combination of these two forces also creates an area of sheer stress along the midline.
These three forces together decide the bending or flexural strength of a given sample. With an increase in the external force, the amount of bending or deflection of a material also increases until the material fails. The flexural strain on a material can be calculated using the deflection, span length, and thickness of the sample. The flexural stress of the material can be calculated from the applied force, span length, width, and thickness of the sample.
The three-point bending test gives a flexural stress and strain curve of a material. The slope of a curve in the elastic region represents the flexural modulus of the sample and measures how much a given material can be flexed. The area under the stress-strain curve represents the amount of energy absorbed by a material before failure, hence, it is a measure of the toughness of the material.
Theoretically, the maximum flexural strength of a composite can be calculated with the rule of mixtures using the maximum flexural strength of its matrix and reinforcement materials under volume fractions.
Now that you understand how the three-point bending method works and how to measure the bending properties of the material, let’s make three ceramic based composites and find out which one has the highest bending strength.
First let’s make three samples of ceramic matrix composites. To begin, get a blue rubber mold which can make three bar-shaped samples. We will make your first sample from the plain plaster. To begin with, weigh 40 grams of dry plaster powder into a plastic cup then slowly add 20 milliliters of deionized water and stir it with a stick until a smooth consistency is achieved. Proceed immediately to the next step because the plaster starts to harden in approximately five minutes. Next, pour the resulting slurry in one of the compartments of the mold. Fill the mold completely and smooth it over with the stick. Finally, throw away the cup and any excess plaster. Please keep the stick for future use.
You will make your second composite sample using the plaster powder and chopped glass fibers. To do that, first weigh four grams of chopped glass fibers into a plastic cup. Next, weigh 40 grams of plaster powder into the same cup then slowly add 20 milliliters of deionized water. Keep stirring the slurry with the stick until the fibers are thoroughly mixed in and a smooth consistency is achieved. Pour the slurry into the second mold as described for sample one.
You will make the last composite sample using the plain plaster powder and the fiber glass tape. To do that, first cut two strips of fiber glass tape about five inches long and weigh them. Second, make a slurry with a plain plaster powder as you did for the first sample.
Next, pour about 1/3 of the plaster into the mold. Place one strip of fiber glass tape on top of the plaster and press down with a stick. Always make sure that the plaster thoroughly wets the fiber glass then pour about 1/2 of the remaining plaster on top of the fiber glass tape.
Next, place the second strip of tape on top of the plaster and press it down with a stick. Pour the rest of the plaster on top of the second strip and press it down with the stick.
Measure the average length, width, and height of each bar. Measure the span length of the sample on three-point test fixture using calibrated calibers. Set the UTM instrument to zero and initiate added displacement speed of five millimeters per minute.
For the plain plaster and chopped glass fiber samples, run the test until the samples fail. For the fiber glass tape composite, run the test until the deflection is six millimeters. Use the lab view program on your computer to collect the data from each test into a text file.
UTM generates a single column text file for both force and deflection. The lab view interface sorts the corresponding readings into two different arrays. Now, convert the raw data into force and deflection using the numbers generated by the UTM and load cell maximum value of 1,000.
Next, using the force and deflection values, calculate the flexural stress and strain. Plot the flexural strain-stress curve of the three samples: plaster, chopped glass composite, and fiber tape composite. Find the maximum flexural strength from the curve. Also find the flexural strain at the maximum strength. Next, calculate the flexural modulus and the total area under the curve for each sample.
Finally, compare the results of the three samples. This experiment demonstrates that the desired strength of a sample can be achieved by using different reinforcement materials. Examining the sample data, we see that fiber glass tape provides the greatest additional strength. It also covers the maximum area under the curve, hence is the toughest among the three. Fiber length and orientation drastically affect the properties of composite samples.
For example, the maximum reinforcement can only be achieved when the fiber glass tape is set parallel to the surfaces of the specimen. This spatial orientation allows the fiber glass tape to withstand additional forces as the plaster matrix fails. Longer pieces would allow for maximum traction under the test as there is more plaster surrounding the fiber glass reinforcement.
Ceramic matrix composites are used in a wide range of fields: space science, bioengineering, and automotive breaking systems. Ceramic matrix composites are also used in synthesizing our artificial bones. Our bones inherently have a strong composite structure thus having the ability to replace and replicate a bone due to disease or traumatic injury is important component of medical science.
Ceramic composites also provide exceptional automotive breaking systems because of their higher strength, higher thermal stability, and lower wear. For these reasons they are used in sports cars.
You’ve just watched Jove’s Introduction to Ceramic Matrix Composite Materials and Their Bending Properties. You should now understand how to make a composite material, test its bending properties using the three-point bending test, and compare it with the other composites.
Thanks for watching.
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