Polimer Dayanıklılık Çalışmaları ve Eşzamanlı Hygrothermo-mekanik Uyaranlara altında Fiber takviyeli kompozitler Polimer A Test Platformu
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
Servis koşullarında polimerlerin ve fiber takviyeli polimer kompozit dayanıklılık onların sağlam tasarımları ve koşul tabanlı bakım için ele alınması gereken kritik bir yönüdür. Bu malzemeler uçak ve gemi yapılardan, köprüler, rüzgar türbin kanatları, biyomalzeme ve biyomedikal implantlar, mühendislik uygulamalarında geniş bir yelpazede kabul edilir. Polimerler viskoelastik malzemeler ve onların yanıt oldukça doğrusal olmayan olması ve dolayısıyla tahmin ve onların içinde hizmet performansını izlemek için zorlu hale getirebilir. Burada sunulan laboratuvar ölçekli test platformu eşzamanlı mekanik yüklemeler ve bu malzemelerin çevre koşullarının etkisi soruşturma yardımcı olur. Platform, düşük maliyetli ve kullanıcı dostu olacak şekilde tasarlanmıştır. Onun kimyasal dayanıklı malzemeler nedeniyle sıvılara hizmet maruz kalma, kimyasal bozulma çalışmalara platform adapte olun. Deneyin bir örneği, kapalı hücreli poliüretan oda sıcaklığında yürütülmüştürKöpük numuneleri nihai statik ve kuru yük ~% 50 karşılık gelen bir ağırlık yüklenmiştir. Sonuçlar test cihazı, bu çalışmalar için uygun olduğunu göstermektedir. Sonuçlar ayrıca yüksek orta noktası değiştirmeler ve alt artık başarısızlık yükleri dayalı, eşzamanlı yük altında polimer büyük güvenlik açığı vurgulayın. Öneriler test cihazları için ek iyileştirmeler için yapılır.
Introduction
Polimer ve elyaf takviyeli polimer (FRP) kompozitler uçak ve uzay, donanma gemileri, sivil altyapı kadar, mühendislik yapılarının çeşitli kabul edilmiştir, (Katnam ark. 1, 2 Hollaway, Mouritz ark örnekleri yorumlara bakınız . 3), sütür ve implantlar için protez ve Biyomalzemelere arabalar ve trenler, rüzgar türbin kanatları,. Bu malzemelerin dayanıklılığı bir birleşimini içerebilir karmaşık hizmet senaryoları,) termo-mekanik yükleme, örneğin, donma-çözülme döngüleri sivil altyapı 4, sesaltı / süpersonik uçuş 5 profilleri, metal destekli polietilen giymek etkilenir 6) ; nedeniyle çevresel ve kimyasal ajanlar, örneğin, deniz suyu, de-icing, havacılık ve deniz yapıları 7-10 nedeniyle tükürük 11 Polimetilmetakrilat diş kompozit bozulması için hidrolik sıvısı b) bozulması; c) kompleks entegrasyontutturulmuş veya yapıştırılmış eklemler, farklı malzemeler arasında, örneğin, galvanik korozyona ve bağ açılma, malzemelerin kesirlere bir uçak alüminyum deri veya paslanmaz çelikten 12 ile tutturulmuş bir karbon / PEEK kemik plaka üzerinde bir karbon / fiber yama onarımı olsun.
Ne yazık ki bu malzemelerin uzun süreli dayanıklılık üzerine eşzamanlı hizmet uyaranların etkisi bilgi var sınırlıdır. Çoğu polimer viskoelastik malzeme olarak sınıflandırılabilir. Mekanik yüklemeler ve çevre koşulları önemli ölçüde polimerlerin viskoelastik yanıtını etkiler. Bu nedenle, bu malzemelerin uzun süreli davranış için güvenilir modeller birleştiğinde Hygrothermal, mekanik, kimyasal uyaranlara zamana bağımlı yanıtları dahil etmek gerekir. Sırayla Bu tasarım tahminlerde, güvenlik ve koşul tabanlı bakım / yedek protokolleri artıracaktır.
Higrotermal etkileri üzerine deneysel testler büyük bir literatür gövdesi vardırÖrneğin higrotermal difüzyon testleri için: numune büyüklüğü izin veriyorsa, malzeme numuneleri, istenen nem ve sıcaklık seviyelerinde bir oda içinde konumlandırılabilir. Numuneler hafta yaşından 10,13-17 için, belirli bir zaman miktarı için kendi kütle ve / veya hacim değişiklikleri ölçmek için düzenli aralıklarla çıkarılır. higrotermal testi sadece malzemelerin mekanik yanıtları higrotermal uyarıcı etkisi hakkında bilgi verir Mekanik testler, yani, artık statik / yorulma mukavemeti / kırılma mekaniği test 17-19 tarafından takip edilebilir. Test verileri konsantrasyon, stres, sıcaklık, geri dönüşümlü fiziksel yaşlanma / plastikleşmesi ve geri dönüşümsüz kimyasal reaksiyonlar bağımlılığı dahil modellerin basit Fickian difüzyon, karmaşıklığı değişen difüzyon modellerine monte edilebilir. Bu deneysel çıkışı, yapısal analiz de dahil edilebilir.
Birkaç yazarlar eşzamanlı hy etkisini ele alınmıştırgrothermal ve mekanik uyaranlar. Bu araştırma FRP kompozit arasında, Neumann ve Garom batırma 20 vurguladı ve damıtılmış su içinde stressiz örnekleri. Stres sıkıştırılmış paslanmaz çelik yaylar içinde örnekleri konumlandırma uygulanmış, farklı bahar rijitliklerinin ve basınç yüklerini kullanarak yükü ayarlama. Benzer bir prosedür, Wan ve diğerleri. 21 tarafından bildirilir. Helbling ve Karbhari 22 farklı nispi nem oranları (RH%) ve sıcaklık seviyeleri için bir çevre odasının içine bir bükülme armatürü kullanılabilir. ön şartlandırılmış örnekler bu bileşik için statik kopma suşunun bir orana karşılık gelen, belirli bir bükülme gerilme seviyesine tabi tutuldu. Kasturiarachchi ve Pritchard 23 büyük bir cam desikatörde bir rafta yerleştirilmiş bir paslanmaz çelik 4-noktalı eğilme jig (numune başına bir) hazırladı. kurutucu kısmen damıtılmış su ile doldurulmuştur, met önlemek için küçük bir sızıntı oldubasınç ildup ve% 95 bağıl nemde bir nem odasına yerleştirilir. Gellert ve Turley 7 kombine sürünme yükleme ve% 100 RH altında dayanıklılık için deniz dereceli FRP kompozit örnekleri incelendi. Tam olarak deniz suyu içine daldırılmış iken Bunların örnekleri, arıza statik eğilme yükünün% 20'ye eşit bir sabit yükte 4-nokta bükmede yüklendi. Sürünme saptırma merkezi enine kesitte kiriş, ve bir cam levhanın dış yüzeyi arasında bir kalınlık ölçer kullanılarak periyodik olarak satın alınmıştır (bu tür ölçüm bölmesinin dışında gerçekleştirilmiştir anlaşılmaktadır). Abdel-Magid ve diğ. 24 örnekler nihai eksenel yük% 20, lif yönü boyunca gerilim yüklü gibi, NASA Langley tarafından sağlanan bir Invar çevre fikstür cam / epoksi örnekleri yerleştirilir. Ellyin ve Rohrbarcher 25, 140 gün boyunca higrotermal testleri etti ve sonra bir hidrolik test makinesi üzerinde yorgunluk örnekler test edilmiştir. örneks, bir boru ve bir su kaynağına bağlanan bir ıslak tülbent sarılı. Earl ark. 26 kendi yükleme fikstür ve büyük bir çevre odasında (5.5 m 3) örneklerini konumlandırılmış.
Birçok deneysel çalışmalarda tartışıldığı gibi, çevresel koşullar polimerlerin mekanik özelliklerini ve yanıtları etkileyebilir. Bazı sınırlı deneyler, aynı zamanda, mekanik germe / gerilim mevcudiyeti polimerlerde difüzyon süreçlerinin kinetik durumunu göstermektedir. Bu nedenle, mekanik ve mekanik olmayan hem de etkisi altında, polimer esaslı malzemelerin genel performansı üzerinde iyi anlaşılması için, eş zamanlı test etmek için bir gereksinim vardır.
Bu yazıda tartışılan test platformunun tasarımı arkasında çeşitli hedefleri vardı. İlk olarak, platformu rüzgar türbini a için FRP sandviç kompozitlerin farklı türde hygrothermo-mekanik davranışı üzerinde çok yıllı soruşturma deneysel kurulum parçasıdırnd deniz mühendisliği uygulamaları. Test verileri polimerik kompozit viskoelastik bünye denklemleri parametreleri kalibre etmek için kullanılır. kurucu modeller Muliana ve işbirlikçileri tarafından 27-30 yılda geliştirilen çalışmalarına dayanmaktadır. İkinci amaç kolayca kitle ölçümleri için bir ölçekte, örneğin bir laboratuvarda (tehcir veya sıvı kaynağına olabilir örneğin bir düşük maliyetli ve kullanıcı dostu test platformu, örneğin, bir geliyor olması oldu Bir musluk, bir fumehood veya yanıcı kabineden). Üçüncü gol, böylece örnekleri gibi kimyasallar dalmış olabilir yaygın hizmet kullanılan kimyasalların bir dizi (havacılık uygulamaları 8-10 için solventler, özellikle hidrolik sıvısı, de-icing) dayanıklı bir test platformu oluşturmak oldu, ve onların dayanıklılık değerlendirilebilir.
bölme (Şekil 1), yüksek yoğunluklu polietilenglikoller ile inşa edilmiştirne, hangi yüksek kimyasal dirence sahiptir. Yukarıda zikredildiği gibi, bu gelecekte bir çalışma hidrolik sıvısı batırılmış kompozit hygrothermo mekanik araştırma, buz çözme, solventler dahil olacağı beklenmektedir. Isı düzenleme test bir yönü olduğu için, polistiren köpük tankı kenarlarına uyacak ve çevre ile ısı değişimini önlemek için, şerit ve çelik çerçeve kendisi ile yerinde.
odası (Şekil 2) kapak kullanıcı testi bozmadan test sırasında örnekleri gözlemlemek sağlayan şeffaf, 9,525 mm kalınlıkta bir polikarbonattan imal edilmiştir. Kapak tankın tarafta parantez sarkan altına kaymasına göre işlenmiş olan, alüminyum T 'demirlerinin ile yerinde tespit edilir.
Numunelerde eğilme kapağından aşağı asmak ve kapağın deliklerden bağlanır üç alüminyum blokları, tarafından çıkarılan edilir. Üç blok dört s'ye kadar izinkapak yuvaları blok aralığı örneklerinin uzunluğuna bağlı olarak ayarlanabilir izin ederken pecimens, bir seferde test edilecek. Her blok, ASTM standart D790-10 bağlılık içinde, 12.7 mm çapa temas kenarında yuvarlanır. Numuneler eğilme ikna etmek için onun merkezinde uygulanan bir yukarı kuvvet (1-2 Şekil) ile, üç bloktan iki altına konumlandırılmış.
Cihaz maksimum çok yönlülük ve kullanım kolaylığı-kullanım düşünülerek tasarlanmıştır. 41,275 mm çaplı tekerler hareket amacıyla bölmenin altında tespit edilir. Bunların ötesinde, depo destek tabanı tel gözenekli ve çapraz kirişler ile kaynak yapılmış çelik bir çerçeve ile desteklenir. Dış tankı köşeleri için Açı stok aralama (daha sonra tartışılacaktır, dize pot aparatı) havai ağırlık ve yer değiştirme göstergeleri ile ezilmekten yalıtım tutmak için üretilmiştir. Üst etrafında, açı stok çerçeveleme için tekrar kullanıldı. Kasnak ve dize potansiyometre sistemleri measu içinorta açıklık sapmasının yeniden dört çelik, kare boru kemerler (Şekil 3) üzerine monte edilmiştir. Bu dört üzerinden merkezi iki kemerli dize potansiyometreleri taşımak ve örnek yönlülük için hesap ayarlanabilir. üç koldan elektronik çıkışları ve potansiyometre (Katlanabilir kilit Boyunluklar bulunabilir gibi) dize potansiyometre bir burulma yayı kullanılarak inşa edilmiştir. kasnaklar hizalanır ve ayarlanabilir ağırlık uygulamaları için bölmenin yan üzerinde asılı çubuğa numunesi ile sağlam bir bağlantı uzanan bir çelik tel ile kullanılmak üzere monte edilmiştir.
Yük kabloları, kasnaklar, bağlantıların ve cıvata bir dizi kullanarak numunesine uygulanır. 10 mm'lik çapraz çubuk açıklığı orta temas böylece İlk olarak, numune kancası içine yerleştirilmiştir. Her bir ucunda halkalı cıvatalar ile bir 9,525 mm çapında çelik çubuk, daha sonra U cıvatasına bağlanır. Bu çelik bağlantı bölmesinin kapak boyunca geçer. Bir çelik kablo ve Kevlar thread kancası karşı mapa bağlıdırlar. Bu dize potansiyometresinden Kevlar iplik sert bir noktadan veri okumak için izin verir. çelik kablo yukarı devam eder ve yük tankı çevresine uygulanacak izin veren iki kasnaklar üzerinden geçer. Kablo daha sonra bir delikli ağırlık askı olarak hizmet eden bir 9,525 mm çapında çelik çubuk takılır. Bu askı yarıklı ağırlıkları istenilen yükü uygulamak için ayarlanabilir bir yer sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Elde edilen verilere bakıldığında, eşzamanlı test senaryosu kapalı hücreli poliüretan köpük örneklerinin dayanıklılığını etkileyen vermedi görülebilir. Bu başarısızlık, kuru ve ıslak örneklerin (Şekil 6) önemli ölçüde farklı deplasmanları (Şekil 5) ve kalıntı yükleri karşılaştırılarak görülebilir. 7 kalıntı gücü testlerinden sonra örneklerin resimlerini göstermektedir. Kuru örneklerin yer değiştirme 2…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar tasarımı ve test kurulumu üretiminde kendi yardım Destiny Garcia, Serena Ferraro, Erik Quiroz'un ve Steven Kern (İleri Kompozit Araştırma, Mühendislik ve Fen laboratuarı) teşekkür ederim. Shawn Malone, Michael Akahori, David Kehlet (Mühendislik Fabrikasyon Lab) onların öneri ve işleme sürecinde yardım için kabul edilir. Ulusal Bilim Vakfı desteği (işbirlikçi hibe CMMI-1.265.691 ve REU takviyesi) ve A. Muliana, Texas & M Üniversitesi (Yürütücü) Donanma Araştırma Bürosu (N00014-13-1-0604 ve V. La Saponara ,) program direktörü yapa Rajapakse tarafından yönetilen minnetle takdir edilmektedir.
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).
