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Materials Engineering

Materiales compuestos de matriz cerámica y sus propiedades de flexión

Overview

Fuente: Sina Shahbazmohamadi y Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti, Escuela de Ingeniería, Universidad de Connecticut, Storrs, CT

Los huesos son compuestos, hechos de una matriz cerámica y refuerzos de fibra de polímero. La cerámica aporta resistencia a la compresión, y el polímero proporciona resistencia a la tracción y a la flexión. Mediante la combinación de materiales cerámicos y polímeros en diferentes cantidades, el cuerpo puede crear materiales únicos adaptados para una aplicación específica. Como ingenieros biomédicos, tener la capacidad de reemplazar y replicar hueso debido a enfermedades o lesiones traumáticas es una faceta vital de la ciencia médica.

En este experimento crearemos tres compuestos diferentes de matriz cerámica con yeso de París (que es un compuesto de sulfato de calcio), y les permitiremos someterse a una prueba de flexión de tres puntos para determinar qué preparación es la más fuerte. Los tres compuestos son los siguientes: uno compuesto sólo de yeso de París, uno con fragmentos de vidrio picados mezclados en una matriz de yeso y, por último, una matriz de yeso con una red de fibra de vidrio incrustada en ella.

Principles

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Cuando un material dado necesita ser probado, uno de los principales métodos para probar la resistencia de los materiales menos dúctiles es una prueba de flexión de tres puntos. La prueba de flexión de tres puntos es un método que permite que una muestra dada experimente una combinación de fuerzas (compresiva y tensil), así como un plano de tensión cortante en el medio del material que es representativo de la mayoría de las fuerzas que los huesos humanos son consistentemente sometido a. Con los resultados de este experimento se puede lograr una mejor comprensión de los materiales compuestos, junto con el alcance y las limitaciones de estos biomateriales.

En la prueba de plegado de 3 puntos, la parte inferior de la muestra está en tensión, la parte superior está en compresión y hay un plano de cizallamiento en el centro de la muestra (Figura 1).

Figure 1
Figura 1: Representación esquemática de la prueba de plegado de 3 puntos.

El hueso vivo puede remodelarse y reestructurarse para acomodar estas fuerzas. Por ejemplo, en los huesos de las costillas hay una alta concentración de fase mineral en el interior de la curva (donde hay fuerzas de compresión) y una alta concentración de fibras de colágeno en el exterior de la curva (donde hay fuerzas de tracción).

Las propiedades de un compuesto se basan en las propiedades de su matriz y materiales de relleno. Se han desarrollado varias fórmulas para calcular la resistencia general y el módulo de un compuesto en función del tipo y la cantidad de rellenos. El más simple de ellos es la "regla de las mezclas", que da el valor teórico máximo de la propiedad en cuestión. La regla de las mezclas para la resistencia a la flexión se indica a continuación:

comp ámVm + 1V1 + 2 V2 + ... (1)

Dónde:

comp - máximo de la fuerza teórica del compuesto

M - fuerza de la matriz

1, 2 ... • resistencias de los materiales de relleno 1, 2, etc.

Vm, V1, V2,.. de volumen de fracciones de volumen de la matriz y los rellenos.

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Procedure

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1. Hacer una muestra de yeso simple

  1. Obtenga un molde de goma azul del instructor. Cada molde puede hacer 3 muestras en forma de barra, el tamaño de cada barra es aproximadamente de aproximadamente 26 mm de ancho, 43 mm de longitud y 10 mm en el espesor.
  2. Pesar 40 gramos de polvo de yeso seco en una taza de papel. Añadir lentamente 20 ml de agua desionizada, y remover la mezcla con un palo de madera, hasta lograr una consistencia suave. ¡Proceda inmediatamente al paso 3! El yeso comienza a endurecerse en 5 minutos.
  3. Vierta la suspensión resultante en uno de los compartimentos del molde. Llene el molde por completo, y alisarlo con el palo de madera. Tire la taza y el exceso de yeso; mantener el palo para su uso futuro.

2. Fabricación de dos muestras compuestas

  1. Preparar la muestra hecha con refuerzo de fibra picada:
    a.) Pesar 4 gramos de fibras de vidrio picadas en una taza de papel.
    b.) Pesar 40 gramos de polvo de yeso en la misma taza.
    c.) Añadir lentamente 20 ml de agua desionizada, y remover la mezcla con el palo de madera, hasta que las fibras se mezclen a fondo, y se logra una consistencia suave.
    d.) Vierta la suspensión en uno de los compartimentos del molde. Llene el molde por completo, y alisarlo con el palo de madera.
  2. Preparar la muestra hecha con cinta de fibra de vidrio:
    a.) Cortar 2 tiras de cinta de fibra de vidrio, de aproximadamente 5 pulgadas de largo. Pesar las tiras.
    b.) Pesar 40 gramos de polvo de yeso seco en una taza de papel. Añadir lentamente 20 ml de agua desionizada y remover la suspensión hasta lograr una consistencia suave.
    c.) Vierta alrededor de un tercio del yeso en el molde. Coloque una tira de cinta de fibra de vidrio en la parte superior del yeso y presione hacia abajo con el palo de madera. Asegúrese de que el yeso humedezca completamente la cinta de fibra de vidrio.
    d.) Vierta aproximadamente la mitad del yeso restante en la parte superior de la cinta de fibra de vidrio. Coloque la segunda tira de cinta en la parte superior del yeso, y presione hacia abajo con el palo de madera.
    e.) Vierta el resto del yeso en la parte superior de la segunda tira, y presione hacia abajo con el palo de madera. Asegúrese de que el yeso humedezca completamente la cinta de fibra de vidrio y exprima las burbujas de aire.

3. Realización de experimentos

  1. Mida la longitud, el grosor y la anchura medios de cada barra Medir L (longitud de la longitud en la figura siguiente) en el accesorio de prueba de 3 puntos, utilice pinzas calibradas para la medición.
  2. Utilice una velocidad de desplazamiento de 5 mm/min para todas las pruebas. (El UTM debe ser a cero e iniciado a una velocidad de desplazamiento de 5 mm/min). Para el yeso liso y la muestra de fibra picada, ejecute la prueba hasta que la muestra falle. Para la muestra de cinta de fibra de vidrio, ejecute la prueba hasta que la desviación sea de 6 mm.
  3. Utilice el programa LabVIEW del equipo para recopilar los datos de cada prueba en un archivo de texto.

4. Programa MATLAB

  1. Cree un programa MATLAB que haga lo siguiente:
  2. Lea un archivo de texto de una sola columna y separe los datos de entrada en vigor y deflexión. Convierta los datos sin procesar en vigor y desviación utilizando los siguientes factores de conversión:
    Fuerza á (Valor máximo de celda de carga / 30000) * Número generado por UTM (2)
    Deflexión: 0,001 mm * Número generado por UTM (3)
  3. Calcular la resistencia a la flexión y la tensión flexural de cada muestra:
    Resistencia a la flexión f a (3FL)/(2wt2) (4)
    Tensión flexible fá (6Dt)/(L2) (5)
  4. Trazar una curva de tensión-deformación unitaria para cada muestra. Sea el eje horizontal y el eje vertical.
  5. Encuentre losvalores máximos de los valores de las fy f para cada muestra. Para las muestras compuestas, seleccione el valorde f que corresponda al valor máximode f.
  6. Encuentre el módulo flexural Ef calculando la pendiente de la curva en la región elástica.
  7. Encuentre el área debajo de cada curva de tensión-deformación unitaria.

5. Análisis de datos

  1. Comparación de la resistencia a la flexión y el módulo de las muestras compuestas con la de la muestra de yeso liso
    Puesto que el UTM genera un archivo de texto de una sola columna, tanto para la fuerza como para la desviación, la interfaz MATLAB tiene que ordenar los valores correspondientes en diferentes matrices. Por lo tanto, para determinar tanto la fuerza como la desviación necesarias para las ecuaciones 4 y 5,las ecuaciones 2 y 3 deben implementarse en MATLAB.
    Usando un Load Cell Maximum de 1000, la determinación de la fuerza y la tensión de flexión es la combinación de todas las ecuaciones. Dado que MATLAB también genera la curva de tensión-deformación unitaria de cada muestra, el módulo de flexión se comprobó calculando la pendiente de la región elástica. Utilizando la Ecuación 6, el módulo de flexión se calculará con respecto a los dos puntos seleccionados en la gráfica de tensión-deformación unitaria:
    Equation 1(6)
    Examinando los datos de una muestra, veremos que a medida que se añaden diferentes formas de refuerzo, la fuerza de las muestras se incrementará, con cinta de fibra de vidrio que proporciona la mayor resistencia adicional. En términos de ductilidad, (que puede ser considerado como el "más plásticomente deformable") la muestra reforzada con cinta de fibra de vidrio también será la más grande.
    Además, la longitud y la orientación de la fibra afectan drásticamente las propiedades de las muestras compuestas. Por ejemplo, el refuerzo máximo sólo se puede lograr cuando la cinta de fibra de vidrio se establece paralela a las superficies de la muestra. Al hacerlo, esta orientación espacial permite que la cinta de fibra de vidrio resista fuerzas adicionales a medida que falla la matriz de yeso. Además, también se puede concluir que las tiras más largas de cinta de fibra de vidrio resultarían proporcionar más resistencia que las tiras más cortas. Las piezas más largas permitirían una tracción máxima en las condiciones de una prueba de flexión de 3 puntos, ya que hay más yeso alrededor del refuerzo de fibra de vidrio.
  2. Absorción de energía durante la prueba de unión
    El área debajo de la curva de tensión-deformación unitaria representa la energía que un material absorbe antes del fallo. De acuerdo con los resultados que lograremos, se demostrará que la muestra reforzada de fibra de vidrio absorbe la mayor cantidad de energía. Además, dado que la dureza corresponde a la capacidad de un material para absorber energía y deformar plásticamente sin fracturarse y la muestra de fibra de vidrio demostró ser la más dúctil al absorber la mayor cantidad de energía; la muestra de fibra de vidrio es intrínsecamente la más dura entre las tres. Por lo tanto, la dureza es el equilibrio entre fuerza y ductilidad, y la muestra de fibra de vidrio tenía el área más grande debajo de su curva de tensión.
  3. Cálculo de la resistencia teórica de los compuestos de fibra picada y cinta de fibra de vidrio utilizando la fórmula "regla de mezclas" (las propiedades del material pertinentes se enumeran en el Cuadro 1).
    La fuerza teórica del compuesto se puede calcular a través de la Ecuación 1, donde:
    VF - fracción de volumen de la fibra (volumen de fibra)/(volumen total de la muestra)
    Volumen de la fibra (masa de fibra)/(densidad de fibra)
    Fracción de volumen de yeso á VP a 1- VF .
Densidad, g/ml Fuerza de flexión, MPa
Fibras de vidrio picadas 2.5 35
Cinta de fibra de vidrio 0.45 35
Yeso Na Na

Tabla 1. Propiedades del material.

Un compuesto es un material formado por la combinación de una matriz y uno o más materiales de refuerzo. La resistencia total a la flexión de un compuesto depende de las propiedades de los materiales de los que se compone. Una cerámica es un material duro con fuertes propiedades de compresión, pero este material también es muy frágil. Al mezclarlo fibras de vidrio o polímero, se convierte en un material más dúctil.

Por ejemplo, en los compuestos óseos artificiales, la cerámica proporciona la resistencia a la compresión requerida, mientras que las fibras de polímero le añaden la resistencia a la tracción y a la flexión. Mediante la combinación de materiales cerámicos y polímeros en diferentes cantidades, se pueden crear materiales únicos adaptados para una aplicación específica.

Este video ilustrará cómo hacer tres compuestos de matriz cerámica con yeso de París y determinará qué preparación tiene las propiedades de flexión más fuertes. La resistencia a la flexión de estas muestras se mediría mediante la prueba de flexión de tres puntos.

Echemos un vistazo más de cerca a la prueba de flexión de tres puntos. En este método, una muestra en forma de barra se monta longitudinalmente en dos pines paralelos. El montaje debe ser tal que permita que el material se estire y se doble bajo una fuerza externa.

En esta prueba, se aplica una fuerza externa perpendicular a la muestra en el centro. Como resultado, se somete a fuerza de compresión en el lado donde se aplica la carga externa y la fuerza de tracción en el lado opuesto donde se estira. La combinación de estas dos fuerzas también crea un área de tensión pura a lo largo de la línea media.

Estas tres fuerzas juntas deciden la flexión o la fuerza de flexión de una muestra dada. Con un aumento en la fuerza externa, la cantidad de flexión o desviación de un material también aumenta hasta que el material falla. La tensión flexible de un material se puede calcular utilizando la desviación, la longitud del intervalo y el grosor de la muestra. La tensión flexural del material se puede calcular a partir de la fuerza aplicada, la longitud del palmo, la anchura y el grosor de la muestra.

La prueba de flexión de tres puntos proporciona una tensión flexible y una curva de deformación unitaria de un material. La pendiente de una curva en la región elástica representa el módulo flexible de la muestra y mide cuánto se puede flexionar un material determinado. El área bajo la curva de tensión-deformación unitaria representa la cantidad de energía absorbida por un material antes del fracaso, por lo tanto, es una medida de la dureza del material.

Teóricamente, la resistencia a la flexión máxima de un compuesto se puede calcular con la regla de las mezclas utilizando la máxima resistencia a la flexión de su matriz y materiales de refuerzo bajo fracciones de volumen.

Ahora que entiende cómo funciona el método de flexión de tres puntos y cómo medir las propiedades de flexión del material, vamos a hacer tres compuestos basados en cerámica y averiguar cuál tiene la mayor resistencia a la flexión.

Primero vamos a hacer tres muestras de compuestos de matriz cerámica. Para empezar, obtenga un molde de goma azul que puede hacer tres muestras en forma de barra. Haremos su primera muestra del yeso. Para empezar, pesa 40 gramos de polvo de yeso seco en una taza de plástico y luego agrega lentamente 20 mililitros de agua desionizada y revuelve con un palo hasta lograr una consistencia suave. Proceda inmediatamente al siguiente paso porque el yeso comienza a endurecerse en aproximadamente cinco minutos. A continuación, vierta la suspensión resultante en uno de los compartimentos del molde. Llene el molde completamente y alisarlo con el palo. Finalmente, tire la taza y cualquier exceso de yeso. Por favor, mantenga el palo para su uso futuro.

Usted hará su segunda muestra compuesta usando el polvo de yeso y fibras de vidrio picadas. Para ello, primero pese cuatro gramos de fibras de vidrio picadas en una taza de plástico. A continuación, pesar 40 gramos de polvo de yeso en la misma taza y luego añadir lentamente 20 mililitros de agua desionizada. Sigue revolviendo la suspensión con el palo hasta que las fibras se mezclen a fondo y se logre una consistencia suave. Vierta la suspensión en el segundo molde como se describe para la muestra uno.

Usted hará la última muestra compuesta usando el polvo de yeso liso y la cinta de fibra de vidrio. Para ello, primero corte dos tiras de cinta de fibra de vidrio de unos cinco pulgadas de largo y pesquélas. En segundo lugar, haga una suspensión con un polvo de yeso liso como lo hizo para la primera muestra.

A continuación, vierta aproximadamente 1/3 del yeso en el molde. Coloque una tira de cinta de fibra de vidrio en la parte superior del yeso y presione hacia abajo con un palo. Asegúrese siempre de que el yeso humedezca completamente el vidrio de fibra y luego vierta aproximadamente 1/2 del yeso restante en la parte superior de la cinta de fibra de vidrio.

A continuación, coloque la segunda tira de cinta en la parte superior del yeso y presione hacia abajo con un palo. Vierta el resto del yeso en la parte superior de la segunda tira y presiónelo hacia abajo con el palo.

Mida la longitud, anchura y altura medias de cada barra. Mida la longitud del palmo de la muestra en un accesorio de prueba de tres puntos utilizando calibres calibrados. Establezca el instrumento UTM en cero e inicie una velocidad de desplazamiento adicional de cinco milímetros por minuto.

Para el yeso liso y las muestras de fibra de vidrio picada, ejecute la prueba hasta que las muestras fallen. Para el compuesto de cinta de fibra de vidrio, ejecute la prueba hasta que la desviación sea de seis milímetros. Utilice el programa de vista de laboratorio en su computadora para recopilar los datos de cada prueba en un archivo de texto.

UTM genera un archivo de texto de una sola columna para la fuerza y la desviación. La interfaz de vista de laboratorio ordena las lecturas correspondientes en dos matrices diferentes. Ahora, convierta los datos sin procesar en fuerza y desviación utilizando los números generados por la UTM y el valor máximo de la célula de carga de 1.000.

A continuación, utilizando los valores de fuerza y deflexión, calcule la tensión y la tensión flexurales. Trazar la curva flexural de tensión-tensión de las tres muestras: yeso, vidrio compuesto picado y compuesto de cinta de fibra. Encuentra la máxima resistencia a la flexión de la curva. También encontrar la tensión flexural a la máxima resistencia. A continuación, calcule el módulo flexural y el área total debajo de la curva para cada muestra.

Por último, compare los resultados de las tres muestras. Este experimento demuestra que la resistencia deseada de una muestra se puede lograr mediante el uso de diferentes materiales de refuerzo. Examinando los datos de la muestra, vemos que la cinta de fibra de vidrio proporciona la mayor resistencia adicional. También cubre el área máxima bajo la curva, por lo tanto es la más dura entre las tres. La longitud y la orientación de la fibra afectan drásticamente las propiedades de las muestras compuestas.

Por ejemplo, el refuerzo máximo sólo se puede lograr cuando la cinta de fibra de vidrio se establece paralela a las superficies de la muestra. Esta orientación espacial permite que la cinta de fibra de vidrio resista fuerzas adicionales a medida que falla la matriz de yeso. Las piezas más largas permitirían una tracción máxima bajo la prueba, ya que hay más yeso que rodea el refuerzo de fibra de vidrio.

Los compuestos de matriz cerámica se utilizan en una amplia gama de campos: ciencia espacial, bioingeniería y sistemas de rotura automotriz. Los compuestos de matriz cerámica también se utilizan para sintetizar nuestros huesos artificiales. Nuestros huesos tienen intrínsecamente una estructura compuesta fuerte, por lo que tener la capacidad de reemplazar y replicar un hueso debido a una enfermedad o lesión traumática es un componente importante de la ciencia médica.

Los compuestos cerámicos también proporcionan sistemas de rotura automotriz excepcionales debido a su mayor resistencia, mayor estabilidad térmica y menor desgaste. Por estas razones se utilizan en coches deportivos.

Acaba de ver la Introducción de Jove a los materiales compuestos de matriz de cerámica y sus propiedades de flexión. Ahora debe comprender cómo crear un material compuesto, probar sus propiedades de flexión utilizando la prueba de flexión de tres puntos y compararlo con los otros compuestos.

Gracias por mirar.

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Results

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El objetivo general de la serie de pruebas antes mencionadas es comparar las diferentes características físicas entre varios sustitutos óseos compuestos. La fuerza y la tensión flexibles deben calcularse utilizando las ecuaciones 4 y 5, respectivamente. La tensión y la tensión de cada muestra se trazarán en MATLAB. A partir de esto, se puede encontrar la máxima resistencia a la flexión y la tensión flexural correspondiente para cada conjunto de datos. La tensión (f1, f2) y la tensión (f1, f2) para cada punto de datos se utilizarán en la ecuación 6 con el fin de determinar el módulo flexible para cada muestra.

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Applications and Summary

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Este experimento fue diseñado para estudiar la resistencia a la flexión en tres tipos diferentes de material compuesto. Fabricamos tres especímenes con diferentes materiales de refuerzo. La matriz era de yeso de París (un compuesto de sulfato de calcio), y usamos fibras de vidrio picadas y cinta de fibra de vidrio como refuerzos. Realizamos pruebas de flexión de 3 puntos en las muestras fabricadas, y analizamos los datos alcanzados, comparando las propiedades de los compuestos hechos con fibras largas y orientadas frente a fibras aleatorias cortas.

Los huesos tienen inherentemente una estructura compuesta fuerte, una adaptación a las muchas fuerzas diferentes que el cuerpo tiene que soportar sobre una base consistente. La estructura compuesta se puede describir como una matriz cerámica intercalada con fibras poliméricas. El aspecto cerámico proporciona una alta resistencia a la compresión, mientras que las fibras poliméricas dan lugar a una mayor resistencia a la flexión. Evidentemente, como ingenieros biomédicos, tener la capacidad de reemplazar y replicar huesodebido de enfermedades o lesiones traumáticas es una faceta vital de la ciencia médica. Además, sintetizar tejidos de reemplazo adecuados de varios metales, polímeros o cerámicas es una alternativa viable. Los reemplazos bioingenieros deben coincidir con la funcionalidad de sus homólogos biológicos, y el análisis y las pruebas críticas de diferentes biomateriales se vuelven cada vez más importantes.

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