Summary
במחקר זה מוצג פרוטוקול המתאר את השימוש בהדמיה מכנולומינסנטית (ML) לניטור התפשטות סדקים והתנהגות מכנית במהלך בדיקות הערכת מפרקים דביקים.
Abstract
במחקר זה מודגמות ומוסברות שיטות להדמיית המכנולומינסנט (ML) של התפשטות סדקים והתנהגות מכנית להערכת מפרקי דבק. הצעד הראשון כלל הכנת דגימה; תרסיס אוויר שימש למריחת צבע ML על פני השטח של דגימות מפרק הדבק. הביצועים של חיישן ML תוארו כדי לבחון את תנאי המדידה. התוצאות של חישת ML במהלך בדיקת קרן קנטילבר כפולה (DCB) ומבחן הטיית הברכיים (LS) מודגמות מכיוון שאלו הן השיטות הנפוצות והנפוצות ביותר להערכת דבקים. במקור, היה קשה לכמת באופן ישיר את קצה הסדק ואת פיזור המתח/מתח וריכוזו מכיוון שקצה הסדק היה קטן מדי, ולא ניתן היה להבחין בהשפעות המתח. ניתן להמחיש את המכנולומינסנציה, התפשטות הסדקים וההתנהגות המכנית במהלך בדיקה מכנית באמצעות תבנית ML במהלך הערכת הדבק. זה מאפשר לזהות את המיקום המדויק של קצות הסדק והתנהגויות מכניות אחרות הקשורות לכשל מבני.
Introduction
חומרי חישה מכנולומינסנטיים (ML) הם אבקות קרמיות פונקציונליות הפולטות אור עז שוב ושוב תחת גירויים מכניים. תופעה זו נצפתה גם בתוך אזורים של דפורמציה אלסטית 1,2,3,4. כאשר הם מתפזרים על פני השטח של מבנה, חלקיקי ML בודדים מתפקדים כחיישנים מכניים רגישים, ותבנית ה-ML הדו-ממדית (2D) משקפת את התפלגות המתח הדינמית. תבנית הפליטה של ML מציגה סימולציה מכנית של התפלגות המתח 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 (איור 1A).
כפי שניתן לראות באיור 1B, חיישני ML יושמו כדי להמחיש התנהגויות מכניות דינמיות דו-ממדיות (דו-ממדיות) ותלת-ממדיות (3D) בתהליכים אלסטיים, פלסטיים והרס באמצעות דגימות בדיקת קופונים המורכבות מחומרים מבניים קלי משקל מתקדמים מהעת האחרונה (לדוגמה, פלדה בעלת חוזק מתיחה גבוה5,6, אלומיניום, פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן [CFRP]7), מפרק ההדבקה לתכנון עמידות לנזק8, 9,10,11 ורכיבי מוצר (לדוגמה, קובץ הילוכים ואלקטרוניקה גמישה לטלפונים מתקפלים 12, ומפרקי דבק ו/או ריתוך מסובכים המשמשים לאימות הנדסה בעזרת מחשב [CAE] תוצאות בבדיקות ברמת המעבדה 2,8,9,10,11 ). בנוסף, חיישני ML שימשו בהצלחה ביישומים מעשיים, כגון ניטור בריאות מבנית (SHM) של מבנים וגשרים לאיתור התפשטות סדקים או ההסתברות לריכוז מתח המוביל להתפרקות מבנית 2,6,13, ניטור התפשטות הסדק הפנימי בשכבות אינטרלמינריות 7,9, חיזוי תוחלת החיים של כלי מימן בלחץ גבוה 9, מבחני השפעה של ניידות להמחשת התפשטות גל ההשפעה או עירור במצב רטט14, וחישה חזותית של כלי ספורט כדי לקבוע את ההגדרות הפיזיות המתאימות כדי להגדיל את סיכויי הזכייה. בפרוטוקול נבחרה הדמיית ML לניטור התפשטות סדקים והשינויים הבאים בהתנהגות המכנית במהלך בדיקות הערכת מפרקים דביקים.
קיימות מספר סיבות לבחירת ערכת נושא זו. הסיבה הראשונה היא העלייה המשמעותית בחשיבות המפרקים הדביקים בשנים האחרונות. לאחרונה, בשל הצורך בהפחתה משמעותית של CO2 וחיסכון באנרגיה, סוגים שונים של חומרים קלים פותחו ויושמו בתעשיות הניידות והתחבורה, כגון עבור מכוניות, מטוסים ורכבות. כחלק ממגמה זו, טכנולוגיית ההדבקה צברה חשיבות כטכנולוגיית מפתח לחיבור חופשי של חומרים קלים שונים (מפרקי חומרים שונים) באסטרטגיה מרובת חומרים15. יתר על כן, שיטת ההדמיה של ML לקביעת חוזק דבק, במיוחד בחומרים שונים, הוצעה על ידי תקנים בינלאומיים שונים 16,17,18,19,20. הערכת חוזק ההדבקה היא למעשה בדיקה הרסנית, וניתן לסווג את חוזק ההדבקה המתקבל בעיקר לשני סוגים: (1) אנרגיית קשיחות שבר (Gc), הנקבעת באמצעות מיקום התפשטות הסדק במהלך יישום העומס, ו-(2) חוזק הדבק, הנקבע באמצעות העומס בקרע של מפרק הדבק. למרות שבדיקת קרן הכנף הכפולה (DCB) ובדיקת הברכיים הבודדות (LS) הן שיטות הערכה מייצגות של קשיחות שבר וחוזק דבק, בהתאמה, ומייצגות את שיטות בדיקת ההדבקה הנפוצות ביותר ברחבי העולם 15,16,17,18,19,20 קצה הסדק קטן מכדי להבחין בהתפלגות הלחץ/מתח., לפיכך, ערך אנרגיית קשיחות השבר (Gc) מפוזר מאוד. כתוצאה מהמלצות של חוקרים שבחנו דבקים ואנשים אחרים בתעשייה, נבדקה הדמיה מכנולומינסנטית (ML) לניטור התפשטות סדקים והשינויים הבאים בהתנהגות המכנית במהלך בדיקת הערכת מפרקי דבק 8,9,10,11,21 . הסיבה השנייה לבחירת נושא זה בפרוטוקול זה היא שהלחץ/מתח מרוכזים מאוד בקצה הסדק, מה שיוצר מכנולומינסנציה אינטנסיבית בנקודת ה-ML במהלך התפשטות הסדק, וזו אולי המתודולוגיה הידידותית ביותר למשתמש מבין יישומי בדיקת ML שונים. בנוסף, ניתן להשתמש בשיטה זו ללא ניסיון מתקדם בהכנת דוגמאות וחומרי ML יעילים במיוחד.
לכן, במחקר זה, הפרוטוקול של הדמיית ML מוסבר לניטור התפשטות סדקים והשינויים הבאים בהתנהגות המכנית במהלך בדיקות הערכת מפרקי דבק, כפי שמוצג באיור 2.
Protocol
המחקר הנוכחי נערך באמצעות דגימות DCB. DCB היא דגימת בדיקה סטנדרטית המשמשת לעתים קרובות לחקר מכניקת צמיחת סדקים ושברים16,17,18.
1. הכנת דגימת הבדיקה
- יש לבצע טיפול מקדים לפני השימוש בצבע ML (ראו טבלת חומרים). נגבו את משטח דגימת הבדיקה (שעליו המשתמש רוצה לרסס את צבע ה-ML) עם ממס כגון איזופרופיל אלכוהול (IPA) או אתנול להסרת שומנים על פני השטח.
- הכן והחל את צבע ML לפי השלבים הבאים.
- שקלו 20 גרם של מגיב האפוקסי הראשי לצבע ML (ראו טבלת חומרים), כולל חומר SrAl2O4:Eu2+ ML, ו-3.1 גרם מגיב הריפוי, וערבבו אותם עם ממס אורגני כגון טולואן ואתיל אצטט בכוס מדידה לקבלת צמיגות של 100 mPa·s.
- מרחו את צבע ה-ML על פני השטח של דגימת ה-DCB על-ידי ריסוס באמצעות תרסיס אוויר או פחית תרסיס (איור 3).
- יש לייבש את הדגימה בהדרגה למשך הלילה בטמפרטורת החדר.
הערה: צבע ML הוכן על ידי ערבוב שרפים ML ופולימרים. ניתן להשתמש בחומרי ML 1,2,3,4 ובחומרים פולימריים בניגוד לצבעי ML מסחריים. עם זאת, הפרוטוקול במחקר זה מתואר באמצעות צבע ML מסחרי או פחיות ריסוס (כפי שמוצג באיור 3) כדי להבטיח ביצועים טובים. למרות שקצב התוכן של חומר ה-ML תלוי ביעילות, 25 wt% או יותר מ-50 wt% מחומר ה-ML נבחרו כקצב התוכן בצבע ML22. הצמיגות המתוארת בשלב 1.2.1 הוערכה באמצעות ויסקומטר 8,9 (ראו טבלת חומרים).
- לאחר הטיפול, לרפא את הדגימה על ידי חימום צבע ML מרוסס על הדגימה ב 80 מעלות צלזיוס במשך שעה אחת.
הערה: התנאים שלאחר הטיפול חייבים להיות בטווח התנאים המתאימים לריפוי השרף של צבע ML ואינם משפיעים על חתיכת הבדיקה ועל ביצועי ההדבקה. - בצע אישור איכות.
- ודא כי צבע ML מרוסס הוא אחיד בערך על פני השטח.
- הקפידו על עובי של כ-50-100 מיקרומטר באמצעות מיקרוסקופ או מד עובי ציפוי8 (איור 4).
הערה: עובי נמוך מתאים למניעת חלוקת עומסים בריאגנט אפוקסי ML. האחידות של צבע ה-ML המרוסס נחוצה לניצול הדמיית ML לבדיקת דבק, משום שניתן לראות מכנולומינסנציה אינטנסיבית בקצה הסדק בשל ריכוז הלחץ הגבוה. לכן, צבע ה-ML המרוסס מתבטא כ"אחיד בערך" בשלב 1.4.1.
2. מדידת ML לבדיקת DCB
- עבור ההגדרה הניסיונית למדידת ML, בצע את השלבים הבאים.
- הרכיבו את הדגימה המרוססת בצבע ML על מכונת הבדיקה המכנית באמצעות זיג מיוחד (ראו טבלת חומרים) עבור בדיקת DCB16,17,18, כפי שמוצג באיור 5A.
הערה: דגימות בדיקת DCB חייבות לעמוד בתקנים בינלאומיים עבור בדיקות DCB16,17,18. - מקם מצלמות (CCD, התקן מצומד מטען, או CMOS, מוליך למחצה משלים של תחמוצת מתכת; ראה טבלת חומרים) לפני כל משטח של דגימת הבדיקה כך שהן פונות למיקום קצה הסדק לניטור 8,9,10,11,12 (איור 5B ). בדוק את תנאי המצלמה כדי לוודא שהיא יכולה להקליט את ה- afterglow (AG) במהלך זמן המדידה המשוער של הבדיקה המכנית.
הערה: למרות שמערכת מצלמות בעלת ארבעה כיוונים אינה חובה עבור כל הכיוונים של הדגימה, מספר המצלמות תלוי בפני הדגימה שהמשתמש רוצה להתמקד בה ולתעד.
- הרכיבו את הדגימה המרוססת בצבע ML על מכונת הבדיקה המכנית באמצעות זיג מיוחד (ראו טבלת חומרים) עבור בדיקת DCB16,17,18, כפי שמוצג באיור 5A.
- בצע תצפית ML בבדיקת DCB.
- הגדר את הסביבה כדי להבטיח תנאים חשוכים.
- הגדר את תנאי ההקלטה של המצלמה: קצב הקלטה = 1 או 2 פריימים לשנייה (fps); זמן חשיפה = 0.5 שניות או 1 שניות; ורווח = מקסימום.
- הקרן את דגימת ה-DCB המרוססת בצבע ML באור כחול של 470 ננומטר לעירור באמצעות נורית LED כחולה (ראה טבלת החומרים) מכל כיוון מצלמה למשך דקה אחת.
- התחל את הקלטת המצלמה 5 שניות לפני שתסיים את הקרנת האור הכחול.
- המתן במצב חשוך במשך דקה אחת כדי להבטיח שה-afterglow ישקע.
הערה: ניתן לשנות את זמן ההתיישבות בהתאם לסוג חומר החישה של ML והמצלמה, במיוחד ביחס לאיזון של עוצמות המכנולומינסנציה והאפטר-גלואו בסרטים המוקלטים. - החל עומס מכני של16,17,18 באמצעות מכונת בדיקה מכנית עם קצב העמסה של 1 מ"מ/דקה כדי לקבל את תמונת ה-ML (איור 5C וסרט 1).
- חשב את אורך הסדק (a) באמצעות המידע על מיקום קצה הסדק, שנקבע מנקודת ה-ML במהלך התפשטות הסדק בדגימה המרוססת בצבע ML (סרט 1), כדי לקבל את קשיחות השבר, G1c (kJ/m2), ערך באמצעות משוואה 1 8,9,16,17,18.
הערה:
(משוואה 1)
כאשר 2 H מציין את העובי (מ"מ) של דגימת DCB, B מציין את רוחב הדגימה, λ מציין את תאימות תזוזת פתיחת הסדק (COD) (mm/N), Pc מציין את העומס (N), ו- α 1 מציין את השיפוע של (a/2H) ו- (B/λ)1/3.
(משוואה 1)3. מדידת ML למבחן הטיית הברכיים (LS)
- עבור המערך הניסיוני למדידות ML, הרכיבו את דגימת ה-LS המרוססת בצבע ML על מכונת בדיקה מכנית19,20, כפי שמוצג באיור 6A.
- מקם מצלמות (מצלמת CCD או CMOS) לפני כל משטח של דגימת הבדיקה, כך שהן פונות למיקום קצה הסדק לניטור (איור 6A).
הערה: דגימות בדיקת LS חייבות לעמוד בתקנים בינלאומיים עבור בדיקת LS19,20. במקרה של מפרקי חומר שונים, התפלגויות מתח שונות יופיעו על כל אחד מארבעת המשטחים של דגימות LS. לפיכך, מערכת מצלמות ארבע-כיוונית או לפחות מערכת מצלמות דו-כיוונית מומלצת לשימוש על כל אחד מארבעת המשטחים, כפי שמוצג באיור 6A, כדי ללכוד שני משטחים כשכל מצלמה נמצאת בזווית של 45° לכל משטח. - בצע את תצפית ה- ML במבחן הטיית הברכיים (LS).
- לשמור על תנאי חושך.
- הגדר את תנאי הקלטת המצלמה: קצב הקלטה = 10-50 fps; זמן חשיפה = 0.02 שניות או 0.1 שניות; רווח = מקסימום.
- הקרן את דגימת ה-DCB המרוססת בצבע ML באור כחול של 470 ננומטר לעירור באמצעות נורית LED כחולה מכל כיוון מצלמה למשך דקה אחת.
- התחל את הקלטת המצלמה 5 שניות לפני שתסיים את הקרנת האור הכחול.
- המתן במצב חשוך במשך 30 שניות עד שהאפטר-גלו ישקע.
הערה: ניתן לשנות את זמן ההתיישבות בהתאם לחומר החישה של ML ולמצלמה שבה נעשה שימוש, במיוחד ביחס לאיזון של עוצמות המכנולומינסנציה והאפטר-גלואו בסרטים המוקלטים. - החל עומס מכני של 19,20 באמצעות מכונת בדיקה מכנית עם קצב טעינהשל 1-5 מ"מ/דקה כדי לקבל את תמונות ה-ML (איור 6B וסרט 2).
4. מידע למדידת ML וניתוח נתונים
- בצע עירור לפני בדיקת ML.
- למרות שעוצמת ה-ML פרופורציונלית לאנרגיית המתח, עוצמת ה-ML יורדת בהדרגה בהתאם למחזורי העומס 2,3,6,12, כפי שניתן לראות באיור 7A. לכן, בצע עירור לפני בדיקת ML כדי להפיק תוצאות ML הניתנות לשחזור, כפי שצוין בשלב 2.2.3 ובשלב 3.2.3.
- בחר את זמן ההמתנה ליחס ML/AG גבוה.
הערה: חיישן ML מראה את ה-afterglow (AG) לאחר העירור כזרחן ארוך ומתמיד ומראה את המכנולומינסנציה ברגע יישום העומס, כפי שמוצג באיור 7B.- בחר את זמן ההמתנה לאחר העירור ואת תנאי המצלמה כדי להבטיח שהיחס בין ML/AG (מה שמכונה מדד ML) גבוה מספיק (כפי שצוין בשלב 2.2.4 ובשלב 3.2.4) מכיוון שה- afterglow מתפקד כרעש בסיס כנגד תבנית ML (כלומר, אות המדידה)2,3,4.
- קבע את נקודת ה- ML הגבוהה ביותר.
- קבע את מיקום קצה הסדק על ידי זיהוי המיקום עם נקודת ה- ML הגבוהה ביותר כקצה הסדק 8,9.
הערה: ניתן לקבוע את נקודת ה-ML הגבוהה ביותר באמצעות בדיקה חזותית, תוכנה לעיבוד תמונה, מערכת ניטור אוטומטית וסרט ML, כפי שמוצג באיור משלים 1.
- קבע את מיקום קצה הסדק על ידי זיהוי המיקום עם נקודת ה- ML הגבוהה ביותר כקצה הסדק 8,9.
- צור תמונת מתאר ML.
- אם קשה להבחין בין נקודות ML ותבניות ML, צור תמונת מתאר של ML והשתמש בתבניות ML על-ידי המרת התמונות הגולמיות של ML באמצעות תוכנת עיבוד תמונה, כגון ImageJ (ראה טבלת חומרים), כפי שמוצג באיור 8.
Representative Results
תמונות וסרטים של ML במהלך בדיקת DCB ו-LS נאספו באמצעות מצלמות דו-כיווניות וארבע-כיווניות, בהתאמה.
איור 5C מציג את תמונות ה-ML והסרטים בתצוגה הצדדית, שניתן להשתמש בהם כדי לזהות את קצה הסדק. יתר על כן, התצוגה העליונה מוצגת כמשקפת את חזית הכשל בזמן התפשטות הסדק במהלך מבחן DCB. במקרה זה, הדבקים היו אלומיניום בהתזת חול (A5052, ראו טבלת חומרים), הדבק הורכב משני מרכיבים של דבק אפוקסי, והגיאומטריה עמדה בתקנים בינלאומיים. לגבי התנהגויות ML במבט מהצד, נצפתה מכנולומינסנציה אינטנסיבית במיקום הסדק הראשוני בשל ריכוז המתח בנקודה זו. לאחר מכן, נצפתה תנועה של נקודת ה- ML, המשקפת את קצה הסדק, על שכבת ההדבקה בזמן התפשטות הסדק. באמצעות תמונות ML במבחן DCB, מיקום קצה הסדק במהלך התפשטות הסדק הוגדר ושימש לחישוב אורך התפשטות הסדק (a) וקשיחות השבר הקשורה, G1c, ערך, כפי שמוסבר בשלב 2.2.7.
איור 6B מציג את התמונות והסרטים של קווי המתאר של ML במהלך מבחן LS. התמונות והסרטים הוקלטו באמצעות מערכת מצלמות בעלת ארבעה כיוונים. במקרה זה, הדבקים היו אלומיניום בהתזת חול (A5052), והדבק היה דבק אפוקסי דו-רכיבי. איור 6B מספק בבירור מידע על ההתנהגות המכנית במהלך תהליך ההרס של מפרק ההדבקה בהקפה אחת. בקצרה, מכנולומינסנציה אינטנסיבית נצפתה לראשונה בשולי האזורים המחוברים והמלופפים בדבק. שנית, נקודות ה-ML עברו מקצות ההדבקה למרכז לאורך שכבת ההדבקה כדי להופיע יחד בתצוגה השמאלית והימנית של תמונת ה-ML. לבסוף, לאחר שילוב שתי נקודות ML במרכז, נצפתה מכנולומינסנציה אינטנסיבית בנקודת המרכז בשכבת ההדבקה. ניתן להשתמש בתמונות ML במבחן LS כדי להבין את ההתנהגות המכנית של מפרקי דבק במהלך תהליך ההרס, שקשה לדמות.
איור 1: תכונות של חיישן ML . (A) Mechanoluminescence תחת עומס מתיחה עבור לוח נירוסטה עם חור ואנליזה נומרית (סימולציה) של התפלגות זן Mises. (B) דוגמאות לחישה חזותית של ML כדי להמחיש את ההתנהגות המכנית הדינמית של דו-ממד/תלת-ממד של מוצרים, חומרים מבניים וחומרי הדפסה בתלת-ממד תחת יישום של עומס מכני, רטט והשפעה. החצים עם "F" מציינים את כיוון הכוח תחת עומס מכני. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 2: חישה חזותית ML עבור מבחני הערכת דבקים סטנדרטיים בינלאומיים שונים. תקנים אלה מתארים את השיטות להשגת מדדים שונים של חוזק דבק, כגון אנרגיית קשיחות שבר (Gc), חוזק גזירה מתיחה (TSS), חוזק קילוף וחוזק מתח צולב (CTS). החצים מציינים את כיוון הכוח תחת עומס מכני. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 3: החלת צבע חיישן ML. (A) דוגמאות של פחיות צבע וריסוס ML ו-(B) תצלום של ריסוס. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 4: איור של דגימות מרוססות בצבע ML. (A) דגימת DCB ו-(B) דגימת LS. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 5: מדידת ML במהלך בדיקת DCB . (A) צילום של מערך הניסוי ו-(B) המחשה של מיקומי המצלמה. (C) מדידת ML במהלך בדיקת DCB. CAM 1 ו- CAM 2 מציינים את מצלמת ה- CCD המתוארת בשלב 2.1.2. החצים מציינים את כיוון הכוח תחת עומס מכני. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 6: מדידת ML במהלך מבחן LS. (A) מערך הניסוי ו-(B) מדידת ML במהלך מבחן LS באמצעות מערכת מצלמות בעלת ארבעה כיוונים. החצים מציינים את כיוון הכוח תחת עומס מכני. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 7: תכונות בסיסיות של חיישן ML המועסק . (A) עוצמת ה-ML על פני מחזורי עומס ו-(B) הקשר בין עוצמות ה-ML וה-AG וזמן ההמתנה לאחר עירור באמצעות נורית LED כחולה. הכניסה ממחישה את ההגדרה של עוצמות ML ו- AG בעקומת ההארה בזמן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 8: השוואה של ביטוי ML בתמונות ML . (A) התמונה הגולמית בגווני אפור של 12 סיביות ו- (B) תמונת קווי המתאר. החצים עם "F" מציינים את כיוון הכוח תחת עומס מכני. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
סרט 1: סרט ML במהלך בדיקת DCB. קצב הקלטה: 1 fps. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרט זה.
סרט 2: סרט ML במהלך מבחן LS. קצב הקלטה: 25 fps. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרט זה.
איור משלים 1: שיטות להבחנה במיקום הנקודה של עוצמת ה-ML הגבוהה ביותר. (A) בדיקה חזותית, (B) תוכנה לעיבוד תמונה ו-(C) מערכת ניטור אוטומטית. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
Discussion
במונחים של התנהגות ה-ML שנצפתה מהצד, מכנולומינסנציה אינטנסיבית שמקורה בריכוז הזן נרשמה בקצה הסדק הראשוני (איור 5C). לאחר מכן, נצפתה תנועה של נקודת ה-ML לאורך שכבת ההדבקה בזמן התפשטות הסדק, המשקפת את קצה הסדק. במחקרים קודמים, תצפיות מיקרוסקופיות הראו כי נקודת ה-ML הגבוהה ביותר הייתה רק 0-20 מיקרומטר לפני קצה הסדק וניתן לאמץ אותה כהתייחסות למיקום קצה הסדק8. בשיטה המקובלת, קצה הסדק מזוהה באמצעות בדיקה ויזואלית, אך הדבר מוביל לכמות משמעותית של טעויות אנוש בשל גודלו הקטן של קצה הסדק, גם בעת שימוש בזכוכית מגדלת. באופן ספציפי, נדרשת סבלנות כדי לסמן את המיקום של קצה הסדק במהלך בדיקת DCB, אשר, בתורו, דורש מספר דקות, במיוחד עבור מפרקים דבק מבני16,17,18. לכן, הדמיית ML בבדיקת DCB חשובה לזיהוי מיקום קצה הסדק באופן אוטומטי ובדיוק גבוה יותר. בעבר, המיקום והצורה של קו ML בתצוגה העליונה הוצגו כדי להסתנכרן עם הקו הקדמי של כשל הסדק בשכבת הדבק9. לכן, חישת ML במבט העליון של הדבק שימשה כאינדיקטור לסדקים הפנימיים מפני השטח החיצוניים של הדבק.
עם זאת, המגבלות של שיטה זו כוללות את סביבת הבדיקה החשוכה ואת הירידה בעוצמת ML ו- AG במהלך בדיקת DCB במשך מספר דקות, כפי שמוצג באיור 7B. זה מוביל לנקודת ML לא ברורה ותבנית AG, המשקפות את קצה הסדק ואת גיאומטריית הדגימה, בהתאמה. כדי להתגבר על מגבלה זו, אור אינפרה-אדום, כגון אור באורך גל של 850 ננומטר שאינו משפיע על חומר SrAl2O4:Eu2+ ML, שימש להקרנת דגימת DCB במהלך בדיקת DCB כדי להבהיר את מצב הדגימה9. לחלופין, אור כחול ב-470 ננומטר משמש להארת הדגימה למשך שנייה אחת כל 5 דקות או 10 דקות כדי לשחזר את עוצמות ה-ML וה-AG אפילו במהלך בדיקת DCB2,9, כפי שמוסבר באיור 7A.
תמונות וסרטים של קווי מתאר ML במהלך מבחן LS תועדו באמצעות מערכת מצלמות בעלת ארבעה כיוונים (איור 6C). במקרה זה, הדבקים היו אלומיניום בהתזת חול (A5052), והדבק היה דבק אפוקסי דו-רכיבי. ערך חוזק הגזירה המתיחה (TSS) היה 23 MPa, שחושב באמצעות ערך העומס (N) בקרע תחת עומס מתיחה ואזור הדבק המחובר (מ"מ2). יתר על כן, ערך TSS יכול להיחשב כאינדיקטור לחוזק של מפרק דבק מבני18. למרות שערך ה- TSS משמש בדרך כלל כמדד לחוזק דבק, התכונות הפיזיקליות ברקע, כגון התנהגות מכנית, החיוניות לשיפור העיצוב המשותף, לא נחקרו.
תמונות ה-ML סיפקו בבירור מידע על ההתנהגות המכנית במהלך תהליך ההרס של מפרק ההדבקה בהקפה אחת (איור 6C). בקצרה, מכאנולומינסנציה אינטנסיבית נצפתה לראשונה בקצה האזור המחובר והמלופף בהדבקה, מה שמראה את ריכוז המתח בשלב המוקדם של בדיקת LS. שנית, נקודות ה-ML עברו משני קצות ההדבקה למרכז לאורך שכבת ההדבקה כדי להופיע יחד בתצוגה השמאלית והימנית של תמונות ה-ML. זה מציין מתח גזירה והתפשטות סדק לאורך שכבת הדבק, אשר מציין כשל מגובש (CF) במקרה זה.
בנוסף, קווי ה- ML בתצוגה הקדמית והאחורית הצביעו על התרחשות של התפשטות סדק, שהיא אותה תופעה כמו במבחן DCB. לבסוף, לאחר ששתי נקודות ה-ML השתלבו במרכז, נצפתה מכנולומינסנציה אינטנסיבית בנקודת המרכז בשכבת ההדבקה. זה הצביע על ריכוז המתח בשכבת ההדבקה ועל הדור הבא של סדק רוחבי על פני שכבת ההדבקה, בדומה לעבודה קודמת11. מידע זה שימושי כדי לקבוע את המיקום של ריכוז הלחץ / מתח. לפיכך, זה מרמז כי שיפור פיזור הלחץ נדרש כדי להשיג עיצוב משותף חזק ואמין.
שלא כמו בדיקת DCB, בדיקת LS גורמת לקרע במהירות גבוהה של מפרקי דבק. בדיקת LS יוצרת קצב מאמץ גבוה בשכבת ההדבקה, שלאחריה מכנולומינסנציה אינטנסיבית מאוד הרוויה בתמונת ה-ML המוקלטת, צוברת אירועים רבים בתמונה אחת ומייצרת תמונת ML לא ברורה. במקרים אלה, ניתן להשתמש בבחירה חכמה של קצב הקלטה לפתרון בעיות (לדוגמה, בחירת קצב הקלטה גבוה, כגון 25 fps, המתאים למהירות האירוע במבחן LS)11.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
מחקר זה נתמך על ידי פרויקט חלוצי שהוזמן על ידי הארגון לפיתוח אנרגיה חדשה וטכנולוגיה תעשייתית (NEDO) ותוכנית המחקר והפיתוח לקידום טכנולוגיות אנרגיה נקייה חדשניות באמצעות שיתוף פעולה בינלאומי (JPNP20005) שהוזמן על ידי NEDO. N. T. מודה לחברת Shimadzu על אספקת תוכנת הניטור האוטומטי להבחנה בין הנקודות בעוצמת ה- ML הגבוהה ביותר באיור משלים 1. נ.ט. מודה לגב' י' נוגאמי וגב' ה' קוואהארה על התזת צבע ה-ML לבדיקת ML. בנוסף, נ' ט' מודה לגב' י' קאטו, גב' מ' איסקי, גב' י' סוגאווה, גב' ג' היראקאווה, גב' י' סאקאמוטו וגב' ס' סנו על הסיוע במדידות וניתוח ה-ML בצוות החישה החזותית ה-4D (AIST).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Aluminum plate | Engineering Test Service Co.,Ltd. | A5052 | A5052 is defined name as quality of aluminum in standards. |
| Blue LED | MORITEX Co. | MBRL-CB13015 | |
| Camera | Baumer | TXG04 or VLU-12 | CCD or CMOS |
| Coating thickness gauge | KETT | LZ-373 | |
| Epoxy adhesive | Nagase ChemteX Co. | Denatite2202 | structual adehsive |
| ImageJ | National Institutes of Health | Image J 1.53K | Image processing software |
| Mechanical testing machine | SHIMADZU Co. | EZ Test EZ-LX | |
| Mechanoluminescnet (ML) paint | Sakai Chemical Industry Co. Ltd. | ML-F2ET3 | The ML paint in 1.1 is 2 components epoxy paint , and consisting of epoxy main reagent and curing reagent as described in 1.2.1. SrAl2O4:Eu2+ ML ceramic perticle is including in main epoxy reagent. |
| Microscope | keyence | VHX-6000 | |
| Stainless steel plate | Engineering Test Service Co.,Ltd. | SUS631 | A631 is defined name as quality of stainless steel in standards. |
| Viscometer | Sekonic. Co. | Viscomate VM-10A |
References
- Xu, C. -N., Watanabe, T., Akiyama, M., Zheng, X. -G. Direct view of stress distribution in solid by mechanoluminescence. Applied Physics Letters. 74 (17), 2414-2417 (1999).
- Xu, C. -N., Ueno, N., Terasaki, N., Yamada, H. Mechanoluminescence and Novel Structural Health Diagnosis. NTS Inc. , (2012).
- Terasaki, N. Innovative first step toward mechanoluminescent ubiquitous light source for trillion sensors. Sensors and Materials. 28 (8), 827-836 (2016).
- Feng, A., Smet, P. F. A review of mechanoluminescence in inorganic solids: Compounds, mechanisms, models and applications. Materials. 11 (4), 484 (2018).
- Terasaki, N., Xu, C. -N. Mechanoluminescence recording device integrated with photosensitive material and europium-doped SrAl2O4. Japanese Journal of Applied Physics. 48, (2009).
- Terasaki, N., Xu, C. -N. Historical-log recording system for crack opening and growth based on mechanoluminescent flexible sensor. IEEE Sensors Journal. 13 (10), 3999-4004 (2013).
- Terasaki, N., Fujio, Y., Sakata, Y. Visualization of strain distribution and portent of destruction in structural material through mechanoluminescence. 35th International Committee on Aeronautical Fatigue and Structural Integrity (ICAF) Conference and 29th ICAF Symposium (ICAF. 75, 1961-1967 (2017).
- Terasaki, N., Fujio, Y., Sakata, Y., Horiuchi, S., Akiyama, H. Visualization of crack propagation for assisting double cantilever beam test through mechanoluminescence). The Journal of Adhesion. 94 (11), 867-879 (2018).
- Terasaki, N., Fujio, Y., Horiuchi, S., Akiyama, H. Mechanoluminescent studies of failure line on double cantilever beam (DCB) and tapered-DCB (TDCB) test with similar and dissimilar material joints. International Journal of Adhesion and Adhesives. 93, 40-46 (2019).
- Terasaki, N., Fujio, Y., Horiuchi, S., Akiyama, H., Itabashi, M. Mechanoluminescent study for optimization of joint design on cross tension test. The Journal of Adhesion. 98 (6), 637-646 (2022).
- Terasaki, N., Fujio, Y., Sakata, Y., Uehara, M., Tabaru, T. Direct visualization of stress distribution related to adhesive through mechanoluminescence. ECS Transactions. 75 (45), 9-16 (2017).
- Terasaki, N., Ando, N., Hyodo, K. Mechanoluminescence visual inspection of micro-crack generation through fatigue process in flexible electronics film. Japanese Journal of Applied Physics. 61, (2022).
- Terasaki, N., Xu, C. -N., Yasuda, K., Ichinose, L. Fatigue crack detection of steel truss bridge by using mechanoluminescent sensor. Proceedings of Sixth International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management (IABMAS). 6, 2542-2549 (2012).
- Fujio, Y., et al. Sheet sensor using SrAl2O4: Eu mechanoluminescent material for visualizing inner crack of high-pressure hydrogen vessel). International Journal of Hydrogen Energy. 41 (2), 1333-1340 (2015).
- Da Silva, L. F. M., Öchsner, A., Adams, R. Handbook of Adhesion Technology., 2nd edition. , Springer. Cham, Switzerland. (2018).
- International Organization for Standardization. ISO 22838:2020. Composites and reinforcements fibres - Determination of the fracture energy of bonded plates of carbon fibre reinforced plastics (CFRPs) and metal using double cantilever beam specimens. International Organization for Standardization. , (2020).
- International Organization for Standardization. ISO 25217:2009. Adhesives - Determination of the mode 1 adhesive fracture energy of structural adhesive joints using double cantilever beam and tapered double cantilever beam specimens. International Organization for Standardization. , (2009).
- International Organization for Standardization. ISO 15024:2001. Fibre-reinforced plastic composites - Determination of mode I interlaminar fracture toughness, GIC, for unidirectionally reinforced materials. International Organization for Standardization. , (2001).
- International Organization for Standardization. ISO 4587:2003. Adhesives-Determination of tensile lap-shear strength of rigid-to-rigid bonded assemblies. International Organization for Standardization. , (2003).
- International Organization for Standardization. ISO 22841:2021. Composites and reinforcements fibres-Carbon fibre reinforced plastics(CFRPs) and metal assemblies-Determination of the tensile lap-shear strength. International Organization for Standardization. , (2021).
- International Organization for Standardization. ISO/CD 8065. Composites and reinforcements fibres - Mechanoluminescent visualization method of crack propagation for joint evaluation. International Organization for Standardization. , (2022).
- Azad, A. I., Rahimi, M. R., Yun, G. J. Quantitative full-field strain measurements by SAOED (SrAl2O4:Eu2+,Dy3+) mechanoluminescent materials. Smart Material Structure. 25 (9), 095032 (2016).
