Polimer Dayanıklılık Çalışmaları ve Eşzamanlı Hygrothermo-mekanik Uyaranlara altında Fiber takviyeli kompozitler Polimer A Test Platformu

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.

1. Örnekler yükleniyor

1. (Şekil 4) Tankın kapağını kaldırın ve yan destekleri üzerine dinlendirin.
2. U-cıvata örneği yerleştirin ve çapraz çubuk numunenin merkezinde temas ediyor emin olun.
3. Kapak asılı alüminyum destekler üzerinde numune uçlarını dinlendirin. örneklerin uçları çıkıntı 5-10 mm olmalıdır.
4. Tekrar test edilecek numunelerin tümü için 1,2-1,4 adımları.
5. Kapak destekler çıkarın alt kapak ve kapak tankının dudak oturduğundan emin olun.
6. Bir sonraki dış kasnak çelik çubuk ağırlıkları ekleyerek istenen kuvvet uygulayın.

2. Ölçme Deplasman

1. Dize potansiyometre hattı gergin çekilir emin olun.
2. Dijital multimetre kullanarak, Pin 3 Pin 1 siyah ve kırmızı, potansiyometrenin dış pimleri (Şekil 3) karşısında direncini ölçmekve okuma kaydedin.
3. Kalibrasyon faktörü (bu durumda, 1 kH bir 64,895 milimetre karşılık gelir) hesaplanmasıyla okuma yer değiştirmesini okuma direnci dönüştürün.
4. Tekrarlayın, her numune için 2.1-2.3 adımları.

3. Örnekler Tartım

1. Tartım işlemi başlamadan önce, yer değiştirme verilerini kaydetmek ve ASTM D5229 ³¹ veya uygun test standardına göre, oda sıcaklığında test sıvısı ile dolu bir ara tutma odasını hazırlamak.
2. Çelik kablo uçlarından yarıklı ağırlıkları çıkarın.
3. Tankın kapağını kaldırın ve yan destekleri üzerine dinlendirin.
4. Örnek çıkarın ve hazırlanan ara tutma odasına yerleştirin. Örneklerin hepsi için bu adımı tekrarlayın.
5. Örnekleri çıkarın ve bireysel aşırı sıvı kaldırmak için bir mikrofiber bez ile kurulayın.
6. Yüksek hassasiyetli ölçekte örnek yerleştirin ve veri r kayıtider.
7. Tekrar bütün örnekler için 3,5-3,6 adımları ve ardından Protokol Adım 1 izleyin.

test cihazı başarılı bir şekilde üç noktadan bükme altındaki bir sıvının içine daldırılmış örnekleri düzenlemiştir. Makul Precisions ile, örnekler yüklenebilir ve orta noktası saptırma değişiklikleri için potansiyometre gelen doğru okuma ile test edilmiştir. elektrik direncindeki değişimi 0.1 um mertebesinde bir yer değiştirme çözünürlükte elde edilen, 4 sayı olarak kaydedilebilir.

Hygrothermo mekanik testler, nominal boyutları 215 mm uzunluk x 24 mm genişlik x 18 mm kalınlıkta, bir kapalı hücreli poliüretan köpük dört numune iki grup ile oda sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. Bir grup tankının içinde, havada bir şekilde amaçlanan kuru koşullarda odasına) test, b)% 50 RH (test laboratuvarında Haziran sonunda gerçekleşti ~ ortam bağıl nemde sıcak yer alıyordu ve ABD'de kuru kuzey Kaliforniya Central Valley). Bu numune birinci grup Burada kullanılan "kuru numuneler" olarak belirtilir. İkinci grupTam (Burada kullanılan "ıslak örneklerde" olarak belirtilen% 100 RH), iyonu giderilmiş su içine daldırılmış iken örnekleri tank içinde test edilmiştir. örnek (1.780 ± 0.116) kg'lık sonuçlanan statik kuru koşullar altında nihai yük 50%, yaklaşık olarak eşit ağırlık asılı ile yüklendi. Her asılı ağırlık uygulaması yarı-statik yükleme koşullarını elde etmek için, birkaç saniye sürmüştür. Bu köpük doğrusal olmayan viskoelastik davranış olurdu bekleniyordu, ancak eşzamanlı uyaranlar kuru numuneler ile ilgili köpük dayanıklılığı azalacaktır nasıl bir önsel bilinen değildi.

Dijital multimetredeki Direnç ölçümleri, testin ilk 6 saat için yaklaşık olarak 15 dakika aralıklarla, her bir test için alındı. Ölçümler ilave bir 18 saat sonra tekrar alındı. Bu itibaren, orta açıklık sapma değişim takip edildi. Elde edilen verilere dayanarak, kuru numuneler için 24 saat sonra, yer değiştirme, (2.141 ± 0.371) mmIslak örnekler için deplasman anlamlı derecede yüksek, ve (14.41 ± 3.62) mm (Şekil 5, Tablo 1) eşit iken.

Her bir test çalışması sonra, numuneler daha sonra kopana kadar bir yükleyerek kalıntı mukavemeti için test edildi. kalıntı Kırılma kuvveti (3,623 ± 0,0967), kuru numuneler için kg (Şekil 6, Tablo 2) ile karşılaştırıldığında, ıslak örnekleri (2.970 ± 0.246) kg'a eşit bir artık hata yüküne sahip olacak şekilde bulunmuştur. artık başarısızlık yükü ölçümleri için çözünürlük ± 0.194 kg idi.

Şekil 1. test cihazının önemli bileşenlerinden bakış. A. Yüksek yoğunluklu polietilen tankı. B. polistiren köpük yalıtım Genişletilmiş. C. Düz polikarbonat kapak. D. Alüminyum T-bar ve çıkıntı dirsek. Herhangi yüzeylerin bükme E. Üç noktapports. F. Alt çerçeve. G. Açı ayırıcılar. H. Üst çerçeve. I. Dize potansiyometre meclisleri. J. Alt yükleme düzeneği. K. Yarıklı ağırlıkları ve askı. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Kapağın 2. Detaylı görünüm Şekil. A. Yüksek yoğunluklu polietilen tankı. C. Oluklu polikarbonat kapak. D. Alüminyum T-bar ve çıkıntı dirsek. E. Üç nokta eğme destekler. J. Alt yükleme düzeneği. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3. test cihazının Dize potansiyometre montajı. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

4. Kapak test cihazının desteklediği Şekil. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Kuru ve ıslak numuneler için, zamanla 5. Orta açıklıklı deplasman değişimi Şekil. savunmalarınıe bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için burayı tıklayın.

Şekil ıslak örneklerin büyük güvenlik açığını gösteren kuru ve ıslak numuneler için başarısızlık artık yükler, 6. Kutu araziler. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Artık eğilme dayanımı testleri sonrasında Şekil köpük örneklerinin 7. Resimler: (A) ve (B) kuru örnekler, (C) ve (D) Islak numuneler. Nominal numune genişliğidir24 mm. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Tablo ortam bağıl nem (kuru numuneler) köpük örneklerinin zamana karşı 1. Deplasman.

% 100 RH (ıslak örnekleri) köpük örneklerinin zaman vs Tablo 2. Deplasman.

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.