En Test Platform för hållbarhet Studier av polymerer och fiberförstärkta Polymer Kompositer enligt Samtidig Hygrothermo-mekanisk stimuli
Summary
The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites in service is a critical aspect for their designs and condition-based maintenance. We present a novel low-cost laboratory testing platform for the investigation of the influence of concurrent mechanical and environmental loadings, and may help design more efficient yet safer composite structures.
Abstract
Hållbarheten av polymerer och fiberförstärkta polymerkompositer enligt tjänste tillstånd är en viktig aspekt som tas upp för sina robusta konstruktioner och tillståndsbaserat underhåll. Dessa material antas i ett brett spektrum av tekniska tillämpningar, från flygplan och fartyg strukturer, till broar, vindturbinblad, biomaterial och biomedicinska implantat. Polymerer är viskoelastiska material, och deras svar kan vara mycket olinjära och därmed göra det svårt att förutsäga och övervaka deras i drift prestanda. Laboratoriet skaletest plattform som presenteras häri bistår utredningen av påverkan av samtidiga mekaniska belastningar och miljöförhållanden på dessa material. Plattformen var avsedd att vara låg kostnad och användarvänligt. Dess kemiskt resistenta material gör plattformen anpassas till studier av kemisk nedbrytning på grund av exponering för vätskor i drift. Ett exempel på experiment utfördes vid RT på slutna celler polyuretanskumprover belastas med en vikt som motsvarar ~ 50% av deras slutliga statiska och torr last. Resultaten visar att testapparaten är lämpligt för dessa studier. Resultat belyser också den större sårbarhet polymeren under samtidig belastning, baserat på de högre mittpunkt förskjutningar och lägre rest misslyckande laster. Rekommendationer görs för ytterligare förbättringar av testapparaten.
Introduction
Polymer och fiberförstärkt polymer (FRP) kompositer har antagits i en mängd olika tekniska konstruktioner, allt från flygplan och rymdfarkoster, örlogsfartyg, civil infrastruktur, (se till exempel recensioner av Katnam et 1 al., Hollaway 2, Mouritz m.fl. . 3), bilar och tåg, vindturbinblad, till proteser och biomaterial för suturer och implantat. Dessa material "hållbarhet påverkas av komplexa tjänster scenarier, som kan omfatta en kombination av en) termomekanisk belastning, t.ex. frysupptiningscykler i civil infrastruktur 4, profiler subsonic / ljudsflygningen 5, slitage i metall-stödda polyeten 6) ; b) nedbrytning pga miljö- och kemiska medel, till exempel, havsvatten, avisnings, hydraulisk vätska för flyg- och sjöstrids strukturer 7-10, nedbrytnings av polymetylmetakrylat dentala kompositer grund av saliv 11; c) komplexa integreractions av material i fästa eller limfogar, t.ex. galvanisk korrosion och debonding mellan olika material, vare sig i en kol / fiber patch reparation på ett flygplan aluminium huden, eller en kol / PEEK benplatta fästs med rostfritt stål 12.
Det är tyvärr begränsad kunskap om effekterna av samtidiga i drift stimuli på långsiktiga hållbarhet av dessa material. De flesta polymerer kan kategoriseras som viskoelastiska material. Mekaniska belastningar och miljöförhållanden påverkar avsevärt viskoelastiska respons av polymerer. Därför bör tillförlitliga modeller för dessa material långsiktiga beteendet kunna inkorporera tidsberoende reaktioner på kopplade hygrothermal, mekaniska, kemiska stimuli. Detta i sin tur kommer att förbättra konstruktions förutsägelser, säkerhet och tillståndsbaserat underhåll / ersättningsprotokoll.
Det finns en stor litteratur kropp på experimentell testning på hygrothermal effekterExempelvis hygrothermal diffusion test: om omfattningen av proverna tillåter det, materialprover kan placeras i en kammare vid önskade fukt- och temperaturnivåer. Proverna periodvis bort för att mäta deras massa och / eller volymförändringar för en viss tid, från veckor till år 10,13-17. Den hygrothermal Testet kan följas av mekanisk provning, dvs kvarvarande statiska / utmattningshållfasthet / brottmekanik tester 17-19, vilket bara ger information om effekten av hygrothermal stimulans på de mekaniska svaren av material. Testdata kan monteras diffusionsmodeller med varierande komplexitet, från enkla enligt Ficks lag diffusion till modeller som inkluderar beroendet koncentration, stress, temperatur, reversibel fysiska åldrandet / mjuk och irreversibla kemiska reaktioner. Denna experimentella utgång kan införlivas ytterligare i strukturella analyser.
Få författare har tagit upp effekterna av samtidig hygrothermal och mekanisk stimuli. Bland de forskar FRP kompositer, Neumann och Garom 20 nedsänkt stressade och obetonade exemplar i destillerat vatten. Stress applicerades genom att placera proverna inuti komprimerade fjädrar i rostfritt stål, tuning lasten med hjälp av olika fjäderstyv och tryckbelastningar. Ett liknande förfarande rapporteras av Wan et al. 21. Helbling och Karbhari 22 anställda ett bock fixtur inuti en miljökammare för olika relativa procentsatser luftfuktighet (RH%) och temperaturnivåer. De pre-konditionerade prover utsattes för en given böjning stam nivå, som motsvarar en procentandel av den statiska brott stam för att kompositen. Kasturiarachchi och Pritchard 23 förberett en rostfri 4-punktsbock jigg (en per exemplar) som var placerad på en hylla i ett stort glas exsickator. Exsickatorn fylldes delvis med destillerat vatten, hade små läckor att förhindra BUildup av tryck, och placerades i en fuktkammare vid 95% relativ luftfuktighet. Gellert och Turley 7 undersökt marina-grade FRP kompositprover för sin hållbarhet under kombinerad kryp lastning och 100% RH. Deras prover lästes in i 4-punkts böjning vid konstant belastning som motsvarar 20% av misslyckandet statisk böjningsbelastning, medan helt nedsänkt i havsvatten. Kryp nedböjning förvärvades periodiskt genom användning av en tjockleksmätare mellan den yttre ytan av balken i det centrala tvärsnittet, och en glasplatta (dras slutsatsen att en sådan mätning utfördes utanför kammaren). Et al. Abdel-Magid 24 placerade prover av glas / epoxi i en Invar miljö fixtur som tillhandahölls av NASA Langley, eftersom proverna laddades i spänning längs fiberriktn, vid 20% av den ultimata axiell belastning. Ellyin och Rohrbarcher 25 sprang hygrothermal tester för upp till 140 dagar, och sedan testade proverna i trötthet på en hydraulisk testmaskin. Provets var insvept i en våt ostduk ansluten till ett rör och en vattenledning. Al. Earl et 26 placerade lastning fixtur och proverna i en stor miljökammare (5,5 m 3).
Som diskuterats i många experimentella studier, miljöförhållandena påverkar polymerer "mekaniska egenskaper och reaktioner. Vissa begränsade experiment visar också att förekomsten av mekanisk påverkan / påfrestningar påverkar diffusionsprocessen i polymererna. Därför, för att öka förståelsen för det totala resultatet av polymerbaserade material under både mekaniska och icke-mekaniska effekter, finns det ett behov av samtidig testning.
Det fanns flera mål bakom utformningen av testplattformen diskuteras i detta dokument. För det första är plattforms del av experimentuppställning i ett flerårigt undersökning på hygrothermo mekaniska beteende olika typer av FRP sandwich kompositer för vindkraftverk and marina tekniska tillämpningar. Test data används för att kalibrera parametrarna i de viskoelastiska konstitutiva ekvationer för de polymera kompositer. De konstitutiva modeller bygger på det arbete som utvecklats under åren av Muliana och medarbetare 27-30. Det andra målet var att ha en låg kostnad och användarvänlig testning plattform, exempelvis ett som lätt kan flyttas i ett laboratorium (t.ex. till en skala för massmätningar, eller till källan för vätskan, t.ex., en kommande från en kran, en fumehood eller en brandfarlig skåp). Det tredje målet var att skapa en testplattform som är resistent mot ett antal kemikalier som vanligen används i tjänsten (särskilt hydraulvätska, avisning, rengöringsmedel för rymdanvändning 8-10), alltså prover kunde sänkas ned i sådana kemikalier, och deras hållbarhet kan bedömas.
Kammaren (Figur 1) konstruerades med hög densitet polyethylene, som har hög kemisk beständighet. Som nämnts ovan, kan det förväntas att det framtida arbetet kommer att omfatta hygrothermo mekanisk undersökning av kompositer nedsänkta i hydraulvätska, avisning, rengöringsmedel. Eftersom värmereglering är en viktig del av att testa, utökades polystyrenskum passa runt sidorna av tanken och säkras på plats med tejp och stålramen i sig, för att förhindra värmeväxling med omgivningen.
Locket på kammaren (Figur 2) har tillverkats av transparent, 9,525 mm tjock polykarbonat, så att användarna kan följa exemplar under testning utan att störa testet. Locket hålls på plats med aluminium T-barer, som var bearbetad för att glida under överhängande fästen på sidorna av tanken.
Böjning i proverna utspelas av tre aluminiumblock, som hänger ned från locket, och är fästa genom slitsar i locket. De tre blocken tillåter upp till fyra specimens som ska testas på en gång, medan locket slots tillåter blocket avståndet justeras beroende på längden av exemplaren. Varje block är rundad vid kontaktkanten till en 12,7 mm diameter, i anslutning till ASTM standard D790-10. Proverna placerade under två av de tre blocken, med en uppåtriktad kraft anbringas vid dess centrum för att inducera böjning (figurerna 1-2).
Apparaten har utformats med maximal mångsidighet och enkelhet i användning i åtanke. Hjul med 41,275 mm diameter fästs under kammare för mobilitetsändamål. Ovanför dem, är tanken stöds av en svetsad stålram med ett trådnät botten och tvärbalkar för support. Vinkelaktie distanser för yttertankhörn tillverkades för att hålla isoleringen från att krossas av de överliggande vikt och förskjutningsmätare (string potten apparat, diskuteras senare). Runt toppen, var vinkeln lager användas igen för att inrama. Remskiva och sträng potentiometer system för att ningen mätsre mitten span nedböjning är monterade på fyra stål, fyrkant-slangar bågar (Figur 3). Center två bågar av dessa fyra bär sträng potentiometrar och är justerbara för att redogöra för preparat mångsidighet. De sträng potentiometrar konstrue med användning av en torsionsfjäder (såsom kan hittas i infällbara nyckelnyckelband) och potentiometrar med tre fronter elektroniska utgångar. Remskivorna är inriktade och monterade för användning med en stålkabel som går från en stel anslutning genom provexemplaret till en hängande stav över sidan av kammaren för justerbar vikt ansökan.
Lasten appliceras på prov med en serie kablar, remskivor, kopplingar och bultar. Först matas preparatet placeras in i U-bulten så att den 10 mm tvärstången är i kontakt med mitten av spännvidden. En 9,525 mm diameter stålstång med öglor i varje ände ansluts sedan till U-bult. Detta stål anslutning passerar genom locket till kammaren. En stålkabel och Kevlar thread är fästa öglebulten mittemot U-bult. Detta tillåter kevlartråd från strängen potentiometern att läsa data från en stel punkt. Den stålvajer fortsätter uppåt och passerar över två trissor som gör att lasten som skall tillämpas vid periferin av tanken. Kabeln fästs sedan en 9,525 mm diameter stålstång som fungerar som en slitsad vikt hängare. Denna hängare ger en plats där de slitsade vikterna kan ställas för att tillämpa den önskade lasten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Från de förvärvade data, kan man se att den samtidiga tester scenariot påverkade hållbarhet slutna celler polyuretanskum exemplar. Detta kan ses genom att jämföra de betydligt olika förskjutningar (Figur 5) och rest laster att misslyckas (Figur 6) i torra och våta prover. Figur 7 visar bilder av proverna efter resthållfasthetstester. Det bör också påpekas att även om förskjutningen av de torra proverna nådde steady state inom observationsintervallet 24 t…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna tackar Destiny Garcia, Serena Ferraro, Erik Quiroz och Steven Kern (Advanced Composites Research, teknik och vetenskap laboratorium) för deras hjälp med att designa och tillverka provuppställningen. Shawn Malone, Michael Akahori, David Kehlet (Engineering Fabrication Lab) är känd för sina förslag och hjälp i bearbetningsprocessen. Stödet från National Science Foundation (collaborative bidrag CMMI-1.265.691 och dess REU tillägg) och Office of Naval Research (N00014-13-1-0604 till A. Muliana, Texas & M University (Ansvarig forskare), och V. La Saponara , som förvaltas av programansvarig Yapa Rajapakse) är tacksamt uppskattat.
Materials
| Name of Material/ | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Equipment | |||
| Aluminum 6061 rectangular bars | McMaster-Carr, USA | 8975K268, 1668T72, 7062T17, | Part of testing platform |
| Aluminum 6061 90 deg. angles | McMaster-Carr, USA | 8982K91, 8982K14 | Part of testing platform |
| 440C stainless steel | McMaster-Carr, USA | 6253K52 | Part of testing platform |
| High-density polyethylene sheets | Tap Plastics, USA | N/A (0.236 in. thick x 10.75 in. wide x 16.75 in. long) | Part of testing platform |
| High-density polyethylene sheets | Tap Plastics, USA | N/A (0.354 in. thick x 6 in. wide x 10 in. long) | Part of testing platform |
| High-density polyethylene sheets | Tap Plastics, USA | N/A (0.354 in. thick x 6 in. wide x 16.75 in. long) | Part of testing platform |
| Polycarbonate sheets | Tap Plastics, USA | N/A (0.375 in thick, 11.5 in. wide, 17.5 in long) | Part of testing platform |
| Expanded polystyrene foam | Home Depot | Model # 310880 Internet # 202532855 | Part of testing platform |
| Galvanized steel rope | McMaster-Carr, USA | 3498T63 | Part of testing platform |
| Steel eye bolt | McMaster-Carr, USA | 3013T341 | Part of testing platform |
| Low-carbon steel 90 deg. angle | McMaster-Carr, USA | 9017K444 | Part of testing platform |
| Low-carbon steel rods | McMaster-Carr, USA | 8920K84, 8920K75, 8920K231, 8920K135, 8920K84 | Part of testing platform |
| Low-carbon steel tubes | McMaster-Carr, USA | 6527K314, 8910K394, 8910K395, 8920K94 | Part of testing platform |
| 304 stainless steel U-bolt | McMaster-Carr, USA | 8896T104 | Part of testing platform |
| Steel pulley | McMaster-Carr, USA | 3099T34 | Part of testing platform |
| 1008 carbon steel sheets | McMaster-Carr, USA | 9302T113 | Part of testing platform |
| Light duty swivel casters | Harbor Freight, USA | 41519 | Part of testing platform |
| 100-lbf Vinyl Weight Set | Overstock.com | 11767059 | Part of testing platform |
| Closed-cell polyurethane foam | General Plastics, USA | FR-3704 | Testing samples |
| Deionized water | Faucet, PurLab filtering system | N/A | Conditioning fluid of tank |
| Torsional spring | Retractable Key Clip, Ebay, USA | Lot 10 | Used to build string potentiometer |
| Kevlar thread | Cabela’s | IK-321909 | Used to build string potentiometer |
| 10 kOhm potentiometer | Ebay, USA | 3590S-2-103L | Used to build string potentiometer |
| Digital multimeter | Harbor Freight, USA | 98674 | Used to take resistance measurements of string potentiometer |
References
- Katnam, K. B., Da Silva, L. F. M., Young, T. M. Bonded repair of composite aircraft structures: A review of scientific challenges and opportunities. Prog Aerosp Sci. 61, 26-42 (2013).
- Hollaway, L. C. A review of the present and future utilization of FRP composites in the civil infrastructure with reference to their important in-service properties. Constr Build Mater. 24, 2419-2445 (2010).
- Mouritz, A. P., Gellert, E., Burchill, P., Challis, K. Review of advanced composite structures for naval ships and submarines. Compos Struct. 53, 21-41 (2001).
- Albanilla, M. A., Li, Y., Karbhari, V. M. Durability characterization of wet layup graphite/epoxy composites used in external strengthening. Compos Part B-Eng. 37, 200-212 (2006).
- Jedidi, J., Jacquemin, F., Vautrin, A. Accelerated hygrothermal cyclical tests for carbon/epoxy laminates. Compos. Part A –Appl. Sci. 37, 636-645 (2006).
- Jones, L. C., Tsao, A. K., Topoleski, L. D. T., N, E. l. i. a. z. Orthopedic Implant Retrieval and Failure Analysis. Degradation of Implant Materials. , 393-447 (2012).
- Gellert, E. P., Turley, D. M. Seawater immersion ageing of glass-fibre reinforced polymer laminates for marine applications. Compos. Part A –Appl. Sci. 30, 1259-1265 (1999).
- Sugita, Y., Winkelmann, C., La Saponara, V. Environmental and chemical degradation of carbon/epoxy lap joints for aerospace applications, and effects on their mechanical performance. Compos. Sci. Technol. 70, 829-839 (2010).
- Campbell, R. A., Pickett, B. M., La Saponara, V., Dierdorf, D. Thermal Characterization and Flammability of Structural Epoxy and Carbon/Epoxy Composite with Environmental and Chemical Degradation. J. Adhes. Sci. Technol. 26, 889-910 (2012).
- Landry, B., LaPlante, G., LeBlanc, L. R. Environmental effects on mode II fatigue delamination growth in an aerospace grade carbon/epoxy composite. Compos. A-Appl. Sci. 43, 475-485 (2012).
- Ferracane, J. L. Hydroscopic and hydrolytic effects in dental polymer networks. Dent. Mater. 22, 211-222 (2006).
- Mueller, Y., Tognini, R., Mayer, J., Virtanen, S. Anodized titanium and stainless steel in contact with CFRP: An electrochemical approach considering galvanic corrosion. J. Biomed. Mater. Res. –A. 82, 936-946 (2007).
- Bagley, E., Long, F. A. Two-state Sorption and Desorption of Organic Vapors in Cellulose Acetate. J. Am. Chem. Soc. 77, 2172-2178 (1955).
- Shen, C. -. H., Springer, G. Moisture Absorption and Desorption of Composite Materials. J. Compos Mater. 10, 2-20 (1976).
- Zhou, J., Lucas, J. P. Hygrothermal effects of epoxy resin. Part I: the nature of water in epoxy. Polymer. 40, 5505-5512 (1999).
- Abot, J. L., Yasmin, A., Daniel, I. M. Hygroscopic Behavior of Woven Carbon-Epoxy Composites. J. Reinf. Plast. Comp. 24, 195-207 (2005).
- LaPlante, G., Ouriadov, A. V., Lee-Sullivan, P., Balcom, B. J. Anomalous Moisture Diffusion in an Epoxy Adhesive. J. Appl. Polym. Sci. 109, 1350-1359 (2008).
- Weitsman, Y. J. Anomalous fluid sorption in polymeric composites and its relation to fluid-induced damage. Compos. Part A –Appl. Sci. 37, 617-623 (2006).
- Karbhari, V. M., Ghosh, K. Comparative durability evaluation of ambient temperature cured externally CFRP and GFRP composiste systems for repair of bridges. Compos. Part A –Appl. Sci. 40, 1353-1363 (2009).
- Neumann, S., Marom, G. Free-volume dependent moisture diffusion under stress in composite materials. J. Mater. Sci. 21, 26-30 (1986).
- Wan, Y. Z., Wang, Y. L., Huang, Y., He, B. M., Han, K. Y. Hygrothermal aging behaviour of VARTMed three-dimensional braided carbon-epoxy composites under external stresses. Compos. Part A –Appl. Sci. 36, 1102-1109 (2005).
- Helbling, C. S., Karbhari, V. M. Investigation of the Sorption and Tensile Response of Pultruded E-Glass/Vinylester Composites Subjected to Hygrothermal Exposure and Sustained. J. Reinf. Plast. Comp. 27, 613-638 (2008).
- Kasturiarachchi, K. A., Pritchard, G. Water absorption of glass/epoxy laminates under bending stresses. Composites. 14, 244-250 (1983).
- Abdel-Magid, B., Ziaee, S., Gass, K., Schneider, M. The combined effects of load, moisture and temperature on the properties of E-glass/epoxy composites. Compos Struct. 71, 320-326 (2005).
- Ellyin, F., Rohrbarcher, C. The Influence of Aqueous Environment, Temperature and Cyclic Loading on Glass-Fibre/Epoxy Composite Laminates. J Reinf Plast Comp. 22, 615-636 (2003).
- Earl, J. S., Dulieu-Barton, J. M., Shenoi, R. A. Determination of hygrothermal ageing effects in sandwich construction joints using thermoelastic stress analysis. Compos Sci Technol. 63, 211-223 (2003).
- Jeon, J., Muliana, A., La Saponara, V. Thermal stress and deformation analyses in fiber reinforced polymer composites undergoing heat conduction and mechanical loading. Compos. Struct. 111, 31-44 (2014).
- Muliana, A. H., Rajagopal, K. R., Wineman, A. A new class of quasi-linear models for describing the non-linear viscoelastic response of materials. Acta Mech. 224, 2169-2183 (2013).
- Joshi, N., Muliana, A. Deformation in Viscoelastic Sandwich Composites Subject to Moisture Diffusion. Compos. Struct. 92, 254-264 (2010).
- Muliana, A. H., Sawant, S. Viscoelastic Responses of Polymer Composites with Temperature and Time Dependent Constituents. Acta Mech. 204, 155-173 (2009).
- . Standard Test Method for Moisture Absorption Properties and Equilibrium Conditioning of Polymer. Matrix Composite Materials. ASTM International. , (2004).
