Тестирование платформы на прочность исследований полимеров и армированных волокном полимерных композитов под Одновременно Hygrothermo-механические стимулы

Полимерные и армированный волокном полимера (FRP) композитов были приняты в различных сооружений, начиная от самолетов и космических аппаратов, морских судов, гражданской инфраструктуры, (см примеры обзоров Katnam др. ^{1, 2,} Hollaway Mouritz и др . ^3), автомобили и поезда, лопастей ветряных турбин, протезирования и биоматериалов для наложения швов и имплантатов. Долговечность этих материалов »зависит от сложных сценариев обслуживания, которые могут включать в себя комбинацию) термо-механической нагрузки, например, циклам таяния замораживания в гражданской инфраструктуры ^4, дозвуковой / сверхзвуковой полет анкеты ^5, носить в металлическом ценных полиэтилена ⁶⁾ ; б) деградация из-за экологических и химических агентов, например, морская вода, антиобледенительных, гидравлические жидкости для аэрокосмической и военно-морских структур ^7-10, деградация полиметилметакрилата стоматологических композитов из-за слюны ^11; в) комплекс интеractions материалов в закрепленных или клеевых соединений, например, гальванической коррозии и нарушение сцепления между разнородными материалами, то ли в углерод / оптический патч ремонта на самолете алюминия кожи, или углерода / PEEK костяной пластинке, прикрепленной нержавеющей стали ^12.

Там, к сожалению, ограниченные знания о влиянии одновременно находящихся в эксплуатации стимулов на длительный срок службы этих материалов. Большинство полимеров могут быть классифицированы как вязкоупругих материалов. Механические нагрузки и условий окружающей среды оказывают существенное влияние вязкоупругих ответ полимеров. Таким образом, надежные модели для долгосрочного поведения этих материалов "должны быть в состоянии включить зависящие от времени ответы на сочетании Гигротермальные, механических, химических раздражителей. Это, в свою очередь, позволит улучшить дизайн предсказания, сохранность и состояние-техническое обслуживание / запасные протоколы.

Существует большое количество литературы орган по экспериментальной проверке по воздействию гигротермальные, Например, гигротермальные испытаний диффузии: если масштаб образцов позволяет, материальные образцы могут быть расположены в камере на желаемом уровне влажности и температуры. Образцы отбирали периодически для измерения их массы и / или объема изменений для определенного времени, от нескольких недель до нескольких лет ^10,13-17. Тест Гигротермические может сопровождаться механических испытаний, т.е. остаточной прочности статического / усталость / тестирование механики разрушения ^17-19, который только дает информацию о том, гигротермического раздражителя на механических реакций материалов. Тестовые данные могут быть установлены на диффузии моделей различной сложности, от простого диффузии Фика для моделей, которые включают зависимость от концентрации, стресс, температуры, обратимой физического старения / пластификации и необратимые химические реакции. Этот экспериментальный выход может быть дополнительно включены в структурного анализа.

Мало авторы обратились влияние одновременного HYgrothermal и механические раздражители. Среди тех, исследующих FRP композитов, Нейман и Garom ²⁰ погружен ударные и безударные экземпляры в дистиллированной воде. Стресс наносили путем установки образцов внутри сжатых пружин из нержавеющей стали, настройка нагрузки с помощью различных пружинные жесткости и сжимающие нагрузки. Аналогичную процедуру сообщает Ван и др., ^21. Helbling и Karbhari ²² использовали изгиба арматуры внутри климатической камеры для различных процентах относительной влажности (RH%) и температурных уровней. После предварительной обработки образцы были подвергнуты заданной изгиба уровне штамма, соответствующей процентах от статического предельной деформации при растяжении для этого композита. Kasturiarachchi и Pritchard ²³ получают из нержавеющей стали 4-точка изгиба зажим (по одному на образце), который был расположенный на полке в большом стеклянном эксикаторе. Эксикатор был частично заполнен дистиллированной водой, были небольшие утечки, чтобы предотвратить Буildup давления и помещали во влажную камеру при 95% относительной влажности. Геллерт и Терли ⁷ исследовали морской класса FRP композитных образцов для их долговечности в сочетании ползучести загрузки и 100% относительной влажности. Их образцы были загружены в 4-точечного изгиба при постоянной нагрузке, равной 20% от статической нагрузки отказа изгиба, при этом полностью погружают в морскую воду. Прогиб ползучести была приобретена периодически с помощью толщиномера между наружной поверхности пучка в центре поперечного сечения, и стеклянную пластину (делается вывод, что такое измерение проводили вне камеры). Abdel-Magid и др. ²⁴ помещают образцы стекла / эпоксидной смолы в инвара окружающей приспособление, которое, представленной НАСА Langley, как образцы были загружены на растяжение вдоль направления волокон, при 20% от предельной нагрузки осевого. Ellyin и Rohrbarcher ²⁵ побежал Гигротермальные испытания до 140 дней, а затем проверили образцы в усталости на гидравлические испытания машины. Образецс заворачивали в мокрую ткань сыра, соединенного с трубкой и водоснабжения. Граф и др. ²⁶ позиционируется их загрузки прибор и образцы в большом климатическую камеру (5,5 м ^3).

Как уже говорилось во многих экспериментальных исследований, условия окружающей среды влияют на механические свойства и ответы полимеров. Некоторые ограниченные эксперименты также показали, что наличие механической напряжения / деформации влияет на процесс диффузии в полимерах. Таким образом, для улучшения понимания на общую производительность полимерных материалов на основе по механическим и без механических воздействий, есть необходимость одновременного тестирования.

Были несколько целей, которые стоят конструкции испытательной платформы обсуждения в данной статье. Во-первых, платформа является частью экспериментальной установки в многолетней расследования по hygrothermo-механического поведения различных типов сэндвич-FRP композитов для ветряных турбин A Aй военно-морские инженерные приложения. Данные испытаний используются для калибровки параметров в вязкоупругих определяющие уравнения для полимерных композитов. Материальные модели основываются на работы, разработанной на протяжении многих лет по Muliana и сотрудников ^27-30. Вторая цель была иметь низкую стоимость и удобный платформу тестирования, например, один, который может быть легко перемещено в лаборатории (например, в масштабе для измерений массы, или к источнику жидкости, например, идущему из крана, в fumehood или горючих шкафу). Третья цель заключалась в создании платформу тестирования, которая устойчива к ряду химических веществ, широко используемых в службе (в частности, гидравлической жидкости против обледенения,, чистящие растворы для авиационно-космической промышленности ^8-10), таким образом, образцы могут быть погружены в таких веществ, а их прочность может быть оценена.

Камера (рис 1) был построен с высокой плотностью polyethyleNE, который имеет высокую химическую стойкость. Как уже упоминалось выше, ожидается, что будущая работа будет включать в себя hygrothermo-механические исследования композитов, погруженных в гидравлической жидкости против обледенения,, чистящие растворы. Поскольку тепловое регулирование является неотъемлемой частью испытаний, пенополистирол пенопласт соответствует вокруг сторон резервуара и закреплены на месте с помощью ленты и самой стальной раме, чтобы предотвратить теплообмен с окружающей средой.

Крышка камеры (рис 2) был изготовлен из прозрачного, 9,525 мм толщиной поликарбоната, благодаря чему пользователи смогут наблюдать образцов в процессе испытаний, не нарушая тест. Крышка крепится на месте с помощью алюминиевых Т-баров, которые были обработаны, чтобы скользить под нависающими кронштейны на сторонах бака.

Изгиб в образцах будет принят тремя алюминиевыми блоками, которые свисают с крышкой, и крепятся в пазах в крышке. Три блоки позволяют до четырех сpecimens быть проверены одновременно, в то время как крышка слота позволяют интервал блока должны быть отрегулированы в зависимости от длины образцов. Каждый блок округляется в краю контакта к диаметру 12,7 мм, при строгом соблюдении стандарта ASTM D790-10. Образцы расположены под две из трех блоков, с направленной вверх силы, приложенной в ее центре, чтобы вызвать изгиб (фиг.1-2).

Аппарат был разработан с максимальной универсальности и легкости в использовании в виду. Ролики с диаметром 41,275 мм крепятся под камеры для целей мобильности. Над ними, резервуар поддерживается сварного стальной раме с нижней проволочной сетки и поперечных балок для поддержки. Угловые фондовые проставки для наружных углов танковых были изготовлены, чтобы сохранить изоляцию от сдавливания воздушных веса и смещения датчиков (String горшок аппарата, ниже). Вокруг вершины, угол акции была вновь использована для кадрирования. Тали и потенциометра строка системам measuRe середины пролета прогиб установлены на четырех стали, арки квадратных труб (рис 3). Центральные две арки из этих четырех нести строки потенциометров и регулируется, чтобы объяснить образца универсальности. Строка потенциометры были построены с помощью собой торсионную пружину (как может быть найден в выдвижных ключевых ремешки) и потенциометров с триединой электронных выходов. Шкивы выровнены и установлены для использования с стальным тросом, идущему от жесткой связи на нее образца к стержню висит над стороны камеры для применения регулируемой веса.

Нагрузка на образец с помощью серии кабелей, шкивов, связей и болтов. Во-первых, образец помещают в U-болт так, чтобы 10 мм перекладина связывается с середины пролета. 9,525 мм Диаметр стальной стержень с рым-болты на каждом конце затем подключен к U-образного болта. Это соединение стали проходит через крышку камеры. Стальной трос и кевлара тhread крепятся к рым-болт напротив U-образного болта. Это позволяет Kevlar нить от потенциометра строки для считывания данных с жесткого точки. Стальной трос продолжает вверх и проходит через два шкива, которые позволяют нагрузка для применения на периферии резервуара. Затем кабель прикреплен к 9,525 мм Диаметр стального стержня, который служит в качестве щелевого вешалки веса. Это вешалка предоставляет место, где щелевые веса может быть установлен для того, чтобы применить нужный груз.

1. Загрузка образцов

1. Поднимите крышку бака и оставьте ее на боковые опоры (рисунок 4).
2. Поместите образец в U-образного болта, и убедитесь, что перекладина делает контакт в центре образца.
3. Отдых концы образца на алюминиевых опорах, свисающих с крышкой. Концы образцов должны иметь 5-10 мм навеса.
4. Повторите шаги 1.2-1.4 для всех образцов, которые будут проверены.
5. Снимите крышку опоры, нижнее веко, и убедитесь, что крышка сидит на краю резервуара.
6. Применение желаемого силы путем добавления веса к стальному стержню рядом с внешней шкива.

2. Измерение Перемещение

1. Убедитесь, что потенциометр строка строка растянуты.
2. Использование цифровой мультиметр, измерьте сопротивление между двух наружных штифтов потенциометра (рисунок 3), с черным к контакту 1 и красный к контакту 3,и записать показания.
3. Преобразование значение сопротивления в смещения чтения путем вычисления калибровочного коэффициента (в данном случае, 1 кОм соответствует 64,895 мм перемещения в).
4. Повторите шаги 2.1-2.3 для каждого образца.

3. Взвешивание образцов

1. Перед началом процедуру взвешивания, записывать данные смещение и подготовить промежуточный холдинг камере, заполненной испытательной жидкости при комнатной температуре, в соответствии с ASTM D5229 ³¹ или соответствующему стандарту тестирования.
2. Удалить разрезные весом от концов стальных канатов.
3. Поднимите крышку бака и оставьте ее на боковые опоры.
4. Удалить образец и поместите его в подготовленную временного удержания камеры. Повторите этот шаг для всех образцов.
5. Удалить образцы и высушите их по отдельности, используя ткань из микроволокна для того, чтобы удалить избыток жидкости.
6. Поместите образец на высокоточном масштаба и записи данных Reading.
7. Повторите шаги 3.5-3.6 для всех образцов, а затем следовал протоколу Шаг 1.

Испытательная аппаратура успешно провела образцов, погруженных в жидкость под изгиб в трех точках. При разумном уточнений, образцы могут быть загружены и протестированы с точностью показаний от потенциометров для изменения отклонения средней точки. Изменение электрического сопротивления могут быть записаны на 4 значащих цифр, в результате чего размер смещения порядка 0,1 мкм.

Hygrothermo-механические испытания проводились при комнатной температуре на двух группах четырех образцов полиуретановой пены с закрытыми порами, с номинальными размерами х 24 мм толщиной 215 мм длина ширина х 18 мм. Одна группа была протестирована в камере в сухих условиях, предназначенных, как в воздухе), внутри бака, и б) при комнатной относительной влажности ~ 50% относительной влажности (тест прошел в конце июня в лаборатории, расположенной в горячем и сухой северной Калифорнии Центральная долина, в США). Это первая группа образцов в данном документе обозначается как «сухих образцов". Вторая группаОбразцы испытывали в баке при полном погружении в деионизированной воде (100% относительной влажности, здесь, обозначенный как «влажных образцов»). Образцы были загружены с висячими весов приблизительно равные 50% от их предельной нагрузки в статических сухих условиях, в результате чего (1,780 ± 0,116) кг. Применение каждого грузоподъемность взял несколько секунд, чтобы достичь квази-статических условиях загрузки. Ожидалось, что пена будет иметь нелинейную вязкоупругих свойств, но это не было известно априори как одновременно раздражители бы уменьшить прочность пены по отношению к сухих образцов.

Измерения сопротивления на цифровой мультиметр были приняты для каждого образца, примерно в 15-минутными интервалами в течение первых 6 ч испытаний. Измерения проводились еще раз после дополнительного 18 ч. Исходя из этого, изменение среднего диапазона отклонения была найдена. На основе данных, собранных, смещение после 24 ч в сухом образцов был (2,141 ± 0,371) мм,в то время как объем для влажных образцов была значительно выше, и равна (14,41 ± 3,62) мм (фиг.5, таблица 1).

После каждого пробного пуска образцы тестируют на остаточную прочность на не загружать их до отказа. Влажные образцы установлено, что остаточную разрушающей нагрузки, равной (2,970 ± 0,246) кг, по сравнению с остаточной разрушающей нагрузки в (3,623 ± 0,0967) кг на сухих образцах, (рис 6, таблица 2). Разрешение для измерений остаточных разрушающая нагрузка была ± 0,194 кг.

Рисунок 1. Обзор основных компонентов тестирования аппарата. А. Полиэтилен высокой плотности бак. B. Расширенное изоляции из пенополистирола. C. шлицевая крышка из поликарбоната. D. Алюминиевый T-бар и свес кронштейн. E. трехточечный изгиб SUpports. F. нижней раме. Г. Угловые прокладки. H. Top кадра. I. Струнные потенциометров сборок. J. снизить нагрузку сборка. Веса и вешалка К. Щелевые. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2. Детальный вид крышкой. А. полиэтиленовый бак с высокой плотностью. C. Щелевые крышка из поликарбоната. D. Алюминиевый T-бар и свес кронштейн. E. изгиб в трех точках опоры. Устройство загрузки J. ниже. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3. потенциометра колонна в сборе испытательной аппаратуры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 4. Крышка поддерживает испытательной аппаратуры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 5. Изменение среднего диапазона перемещения во времени, для сухих и влажных образцов. челобитнойE Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенный вариант этой цифры.

Рисунок 6. Вставка графики остаточных нагрузок до отказа, для сухих и влажных образцов, показывая большую уязвимость влажных образцов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 7. Рисунки пены образцов после испытаний на прочность остаточного изгиба: (А) и (В) сухие образцы, (C) и (D) мокрые образцы. Ширина номинальная образец24 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Таблица 1. Объем в зависимости от времени пены образцов при относительной влажности окружающего воздуха (сухие образцы).

Таблица 2. Объем от времени пенных образцов при 100% относительной влажности (влажные препараты).

Авторам нечего раскрывать.