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Materials Engineering

陶瓷基质复合材料及其弯曲特性

Overview

资料来源:西娜·沙赫巴兹莫哈马迪和佩曼·沙赫贝吉-鲁德波什蒂-鲁德波什蒂,康涅狄格大学工程学院,斯托尔斯,CT

骨骼是复合材料,由陶瓷基质和聚合物纤维增强物制成。陶瓷具有抗压强度,聚合物提供拉伸和柔韧性强度。通过组合不同量的陶瓷和聚合物材料,车身可以创造出适合特定应用的独特材料。作为生物医学工程师,能够因疾病或创伤性损伤而替换和复制骨骼是医学的重要方面。

在这个实验中,我们将用巴黎石膏(这是硫酸钙化合物)创建三种不同的陶瓷基质复合材料,并允许它们进行三点弯曲测试,以确定哪种制剂最强。三种复合材料如下:一种是巴黎的石膏,一种是碎玻璃碎片,混合在石膏基质中,最后是石膏基质,里面嵌有玻璃纤维网络。

Principles

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当给定材料需要测试时,测试低延展性材料强度的首要方法之一是三点弯曲测试。三点弯曲试验是一种方法,它允许给定的样本体验力的组合(压缩和拉伸),以及代表大多数力的材料中间的剪切应力平面,这种应力是一贯的受。通过实验的结果,可以更好地了解复合材料,以及这些生物材料的范围和局限性。

在 3 点折弯测试中,样品底部处于张力状态,顶部处于压缩状态,样品中间有一个剪切平面(图 1)。

Figure 1
图 1:3 点折弯测试的原理图表示形式。

活骨可以改造和重组自己,以适应这些力量。例如,在肋骨中,曲线内部有高浓度的矿物相(有压缩力),曲线外侧有高浓度的胶原纤维(有拉伸力)。

复合材料的属性基于其矩阵和填充材料的属性。已经开发了几种公式来计算复合材料的整体强度和模量,作为填料类型和数量的函数。其中最简单的是"混合物规则",它给出了有关属性的最大理论价值。柔韧性的混合物规则如下:

comp = =mVm = =1V1 = +2V2 = ...(1)

地点:

Comp = 复合材料理论强度的最大值

[m ] 矩阵的强度

*1, +2 ...• 填充材料 1、2 等的强度。

Vm V1 V2,.. = 矩阵和填料的体积分数。

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Procedure

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1. 制作一个普通石膏样品

  1. 从讲师处获取蓝色橡胶模具。每个模具可以制作3个条形样品,每个条形的尺寸大约在26毫米的宽度,43毫米的长度,和10毫米的厚度。
  2. 将40克干石膏粉放入纸杯中。慢慢加入20毫升去离子水,用木棍搅拌浆料,直到达到平滑的一致性。立即执行步骤 3!石膏在5分钟内开始变硬。
  3. 将产生的浆料倒入模具的其中一个隔间中。完全填充模具,用木棍将其平滑。扔掉杯子和任何多余的石膏;保持棍子供将来使用。

2. 制作两个复合样品

  1. 准备用切碎的纤维增强的样品:
    a.) 将4克切碎的玻璃纤维放入纸杯中。
    b.) 将40克石膏粉称重至同一杯中。
    c.) 缓慢加入20ml去离子水,用木棍搅拌浆料,直到纤维完全混合,实现平滑的一致性。
    d.) 将浆料倒入其中一个模具仓中。完全填充模具,用木棍将其平滑。
  2. 准备用玻璃纤维胶带制成的样品:
    a.) 切割2条玻璃纤维胶带,约5英寸长。称量条。
    b.) 将 40 克干石膏粉称重到纸杯中。慢慢加入20ml去离子水,搅拌浆料,直到达到平滑的稠度。
    c.) 将大约三分之一的石膏倒入模具中。在石膏上放一条玻璃纤维胶带,用木棍压下。确保石膏彻底弄湿玻璃纤维胶带。
    d.) 将剩余的石膏的大约一半倒在玻璃纤维胶带上。将第二条胶带放在石膏上,用木棍将其压下。
    e.) 将石膏的其余部分倒在第二条的顶部,然后用木棍向下压。确保石膏彻底弄湿玻璃纤维胶带,并挤出任何气泡。

3. 进行实验

  1. 测量 3 点测试夹具上每个杆测量 L(下图中的跨度长度)的平均长度、厚度和宽度,使用校准卡钳进行测量。
  2. 对所有测试使用 5 mm/min 的位移速度。(UTM 应以 5mm/min 的位移速度归零并启动)。对于普通石膏和切碎的纤维样品,运行测试,直到样品失败。对于玻璃纤维胶带样品,运行测试,直到偏转为 6 mm。
  3. 使用计算机上的 LabVIEW 程序将每个测试的数据收集到文本文件中。

4. MATLAB 计划

  1. 创建一个 MATLAB 程序,该程序将执行以下操作:
  2. 读取单个列文本文件,并将读数分离为强制和偏转数据。使用以下转换因子将原始数据转换为力和偏转:
    力 = (负载单元最大值 / 30000) = UTM 生成的数字 (2)
    偏转 = 0.001mm = UTM 生成的数字 (3)
  3. 计算每个样品的弯曲强度和弯曲应变:
    弯曲强度=f = (3FL)/(2wt2 (4)
    弯曲应变=f = (6Dt)/(L2 (5)
  4. 为每个样本绘制应力-应变曲线。让 μf是水平轴,让+f是垂直轴。
  5. 查找每个样本的最大μf+f值。对于复合样本,选择对应于最大 μf值的 +f值。
  6. 通过计算弹性区域曲线的斜率来查找弹性模量 Ef。
  7. 查找每个应力应变曲线下的面积。

5. 数据分析

  1. 复合样品的柔韧性强度和模量与普通石膏样品的柔韧性和模量比较
    由于 UTM 生成单个列文本文件,因此对于强制和偏转,MATLAB 接口必须将相应的值排序到不同的数组中。因此,为了确定方程45所需的力和偏转,方程23应实现到MATLAB中。
    使用最大载荷单元 1000,弹性强度和应变的确定是所有方程的组合。由于MATLAB还生成每个样品的应力应变曲线,因此通过计算弹性区域的斜率来确定弯曲模量。使用公式6,将相对于应力应变图上的两个选定点计算柔韧性模量:
    Equation 1(6)
    在检查样本数据时,我们将看到,随着不同形式的增强,样品的强度将增加,玻璃纤维胶带提供最大的额外强度。在延展性方面(可视为"最可塑性变形")中,玻璃纤维胶带增强的试样也将是最伟大的。
    此外,纤维长度和方向会严重影响复合样品的性能。例如,只有在将玻璃纤维胶带设置为与试样表面平行时,才能实现最大增强。这样,当石膏基质失效时,这种空间方向允许玻璃纤维胶带承受额外的力。此外,还可以得出结论,较长的玻璃纤维胶带条将比较短的带子更强。在 3 点弯曲测试的条件下,较长的部件将允许最大的牵引力,因为玻璃纤维增强周围有更多的石膏。
  2. 键测试期间的能量吸收
    应力-应变曲线下的面积表示材料在失效前吸收的能量。根据我们将取得的成绩,将表明玻璃纤维增强样品吸收的能量最大。此外,由于韧性相当于材料吸收能量和塑性变形的能力,无需压裂,因此玻璃纤维样品通过吸收最大能量被证明是最延展性的;玻璃纤维试样本质上是三个中最难的。因此,韧性是强度和延展性之间的平衡,玻璃纤维样品在其应力应变曲线下具有最大的面积。
  3. 使用"混合物规则"公式计算切碎的纤维和玻璃纤维胶带复合材料的理论强度(相关材料特性列于表1)。
    合成的理论强度可以通过公式 1 计算,其中:
    VF = 光纤的体积分数 = (光纤体积)/(样品的总体积)
    纤维体积 = (纤维质量)/(纤维密度)
    石膏的体积分数 = VP = 1- VF
密度,克/毫升 弹性强度,MPa
切碎的玻璃纤维 2.5 35
玻璃纤维胶带 0.45 35
石膏

表 1.材料属性。

复合材料是将基质和一种或多种钢筋材料组合而成的材料。复合材料的整体弯曲强度取决于其组成材料的特性。陶瓷是一种具有强烈压缩性能的硬质材料,但这种材料也非常脆。通过混合玻璃或聚合物纤维,它变成了一种更具延展性的材料。

例如,在人造骨复合材料中,陶瓷提供所需的压缩强度,而聚合物纤维则增加了拉伸和柔韧性强度。通过组合不同量的陶瓷和聚合物材料,可以针对特定应用定制独特的材料。

本视频将说明如何用巴黎的石膏制作三种陶瓷基质复合材料,并确定哪种制剂具有最强的弯曲性能。这些样品的弯曲强度将使用三点弯曲试验进行测量。

让我们仔细看看三点弯曲测试。在此方法中,条形样品纵向安装在两个平行引脚上。安装应使材料能够在外力下拉伸和弯曲。

在此测试中,将施加与中间样本垂直的外力。因此,它在施加外部负载的一侧受到压缩力,在拉伸的另一侧受到拉伸力。这两种力量的结合也创造了一个沿中线的绝对应力区域。

这三种力共同决定给定样品的弯曲或弯曲强度。随着外力的增加,材料的弯曲或偏转量也会增加,直到材料失效。可以使用样品的偏转、跨度长度和厚度来计算材料上的弯曲应变。材料的弯曲应力可以从样品的施加力、跨度长度、宽度和厚度来计算。

三点弯曲试验给出了材料的弯曲应力和应变曲线。弹性区域曲线的斜率表示样品的弯曲模量,并测量给定材料的弯曲程度。应力应变曲线下的面积表示材料在失效前吸收的能量量,因此,它是材料韧性的度量。

从理论上讲,复合材料的最大弹性强度可以用混合物的规则计算,使用其基质的最大弹性强度和体积分数下的增强材料。

现在,您已经了解了三点弯曲方法的工作原理以及如何测量材料的弯曲性能,让我们制作三种基于陶瓷的复合材料,并找出哪一种具有最高的弯曲强度。

首先,让我们做三个陶瓷基体复合材料的样品。首先,获得一个蓝色橡胶模具,它可以制作三个条形样品。我们将从普通石膏制作您的第一个样品。首先,将 40 克干石膏粉称重到塑料杯中,然后缓慢地加入 20 毫升去离子水,然后用棍子搅拌,直到达到平滑的一致性。立即继续下一步,因为石膏在大约五分钟后开始变硬。接下来,将产生的浆料倒入模具的其中一个隔间中。完全填充模具,用斗杆将其平滑。最后,扔掉杯子和任何多余的石膏。请保留这根棍子,以便将来使用。

您将使用石膏粉和切碎的玻璃纤维制作第二个复合样品。为此,首先将四克切碎的玻璃纤维放入塑料杯中。接下来,将40克石膏粉放入同一杯中,然后慢慢加入20毫升去离子水。用棒子搅拌浆料,直到纤维完全混合,实现平滑一致性。如样品一所述,将浆料倒入第二个模具中。

您将使用普通石膏粉和纤维玻璃胶带制作最后一个复合样品。为此,首先切下两条长约5英寸的纤维玻璃胶带,然后称量。其次,用普通的石膏粉制作浆料,就像第一个样品一样。

接下来,将大约 1/3 的石膏倒入模具中。将一条纤维玻璃胶带放在石膏上,用棍子向下压。始终确保石膏彻底湿透了纤维玻璃,然后将剩余的石膏的大约 1/2 倒在纤维玻璃胶带上。

接下来,将第二条胶带放在石膏上,用棍子将其压下。将石膏的其余部分倒在第二条的顶部,然后用棍子将其压下。

测量每个条形的平均长度、宽度和高度。使用校准的口径测量三点测试夹具上的样品的跨度长度。将 UTM 仪器设置为零,并启动每分钟 5 毫米的附加位移速度。

对于普通石膏和切碎的玻璃纤维样品,运行测试,直到样品失败。对于光纤玻璃胶带复合材料,运行测试,直到偏转为 6 毫米。使用计算机上的实验室视图程序将每个测试的数据收集到文本文件中。

UTM 为力和偏转生成单列文本文件。实验室视图接口将相应的读数分类到两个不同的数组中。现在,使用 UTM 生成的数字和称重传感器的最大值 1,000 将原始数据转换为力和偏转。

接下来,使用力和偏转值,计算弯曲应力和应变。绘制三个样品的弯曲应变-应力曲线:石膏、切碎的玻璃复合材料和纤维胶带复合材料。从曲线中查找最大弯曲强度。也找到最大强度的弯曲应变。接下来,计算每个样本的弯曲模量和曲线下的总面积。

最后,比较三个样本的结果。该实验表明,使用不同的钢筋材料可以达到样品所需的强度。通过检查样品数据,我们发现纤维玻璃胶带提供了最大的附加强度。它还覆盖了曲线下的最大面积,因此是三个曲线中最难的。纤维长度和方向对复合样品的性能有显著影响。

例如,只有当纤维玻璃胶带与试样表面平行时,才能实现最大加固。这种空间方向允许纤维玻璃胶带承受石膏基质失效时的额外力。较长的件将允许在测试下的最大牵引力,因为有更多的石膏周围的纤维玻璃增强。

陶瓷基质复合材料广泛应用于空间科学、生物工程和汽车破碎系统。陶瓷基质复合材料也用于合成我们的人造骨骼。我们的骨骼本身具有强大的复合结构,因此有能力替换和复制骨骼由于疾病或创伤性损伤是医学科学的重要组成部分。

陶瓷复合材料具有更高的强度、更高的热稳定性和更低的磨损,因此也提供卓越的汽车破碎系统。由于这些原因,它们被用于跑车。

您刚刚观看了 Jove 的陶瓷矩阵复合材料及其弯曲特性简介。现在,您应该了解如何制作复合材料,使用三点弯曲测试测试其弯曲特性,并将其与其他复合材料进行比较。

谢谢你的收看。

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Results

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上述一系列测试的总体目标是比较各种复合骨替代品之间的不同物理特性。需要分别使用公式 4 和 5 计算弹性强度和应变。每个样品的应力和应变将在MATLAB中绘制。从中,可以为每个数据集找到最大的弯曲强度和相应的弯曲应变。每个数据点的应力(μf1, +f2) 和应变 (+f1 +f2) 将在公式 6 中使用,以确定每个样本的柔韧性。

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Applications and Summary

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本实验旨在研究三种不同复合材料的柔韧性。我们用不同的钢筋材料制作了三个标本。基质是巴黎的石膏(一种硫酸钙化合物),我们使用切碎的玻璃纤维和玻璃纤维胶带作为增强剂。我们对制造样品进行了3点弯曲测试,并分析了所获得的数据,比较了用长、定向纤维与短随机纤维制成的复合材料的特性。

骨骼本身具有强大的复合结构,能够适应身体在一致的基础上承受的许多不同的力。该复合结构可描述为与聚合物纤维穿插的陶瓷基体。陶瓷方面提供高抗压强度,而聚合物纤维则提高了弹性强度。显然,作为生物医学工程师,有能力更换和复制骨骼由于疾病或创伤性损伤是医学科学的一个重要方面。此外,从各种金属、聚合物或陶瓷中合成合适的替代组织是一种可行的替代方法。生物工程替代物必须与其生物替代物的功能相匹配,不同生物材料的批判性分析和测试变得越来越重要。

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陶瓷基质复合材料及其弯曲特性
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