חומרים מרוכבים מטריקס קרמיקה ומאפייני הכיפוף שלהם

כאשר חומר נתון צריך להיבדק, אחת השיטות המובילות לבדיקת הכוח של חומרים פחות רקיעים היא מבחן כיפוף שלוש נקודות. מבחן כיפוף שלוש הנקודות הוא שיטה המאפשרת לדגימה נתונה לחוות שילוב של כוחות (דחיסה ומתיחה) כמו גם מישור של לחץ גיסת באמצע החומר המייצג את רוב הכוחות שעצמות האדם נתונות להם בעקביות. עם התוצאות של ניסוי זה ניתן להשיג הבנה טובה יותר של חומרים מרוכבים, יחד עם היקף ומגבלות על ביו-חומרים אלה.

במבחן העיקול בן 3 הנקודות, החלק התחתון של המדגם נמצא במתח, החלק העליון נמצא בדחיסה, ובאמצע המדגם יש מישור גיסא (איור 1).

איור 1: ייצוג סכמטי של מבחן העיקול של 3 נקודות.

עצם חיה יכולה לשפץ ולארגן את עצמה מחדש כדי להכיל את הכוחות האלה. לדוגמה, בעצמות הצלעות יש ריכוז גבוה של שלב מינרלי בחלק הפנימי של העקומה (שם יש כוחות דחיסה) וריכוז גבוה של סיבי קולגן בצד החיצוני של העקומה (שם יש כוחות מתיחה).

המאפיינים של מרוכבים מבוססים על המאפיינים של המטריצה וחומרי המילוי שלו. מספר נוסחאות פותחו כדי לחשב את הכוח הכולל ואת מודולוס של מורכב כפונקציה של סוג וכמות חומרי המילוי. הפשוט שבהם הוא "כלל התערובות", המעניק את הערך התיאורטי המרבי של הנכס המדובר. כלל התערובות עבור כוח flexural ניתן להלן:

σ_comp = σ_mV_m + σ₁V₁ + σ₂V₂ + ... (1)

איפה:

σ_comp = מקסימום של כוח תיאורטי של מרוכבים

σ_m = חוזק המטריצה

σ_1, σ₂ ... = עוצמות של חומרי המילוי 1, 2 וכו '.

V_m, V₁, V₂,.. = שברי נפח של המטריצה והמילוי.

1. הכנת דגימת טיח אחת רגילה

1. קבל תבנית גומי כחולה מהמדריך. כל תבנית יכולה לעשות 3 דוגמאות בצורת מוט, הגודל של כל פס הוא בערך 26 מ"מ ברוחב, 43 מ"מ אורך, ו 10 מ"מ בעובי.
2. שוקלים 40 גרם אבקת גבס יבשה לכוס נייר. מוסיפים לאט 20 מ"ל של מים דהויוניים, ומערבבים את העכוז עם מקל עץ, עד שעקביות חלקה מושגת. המשך מיד לשלב 3! הטיח מתחיל להתקשות בעוד ~ 5 דקות.
3. יוצקים את העגמומים המתקבלים לאחד התאים של התבנית. ממלאים את התבנית לחלוטין, ומחליקים אותה במקל העץ. לזרוק את הכוס וכל טיח עודף; שמור את המקל לשימוש עתידי.

2. ביצוע שתי דוגמאות מורכבות

1. הכן את המדגם שנעשה עם חיזוק סיבים קצוצים:
   a.) שוקלים 4 גרם של סיבי זכוכית קצוצים לכוס נייר.
   b.) שוקלים 40 גרם אבקת גבס לאותה.
   ג. ) מוסיפים לאט 20 מ"ל של מים דהיוניים, ומערבבים את העכוז עם מקל העץ, עד שהסיבים מעורבבים היטב, ומושגת עקביות חלקה.
   ד. יוצקים את התסיסה לאחד מתאי התבנית. ממלאים את התבנית לחלוטין, ומחליקים אותה במקל העץ.
2. הכן את המדגם שנעשה עם קלטת פיברגלס:
   a.) חותכים 2 רצועות של סרט פיברגלס, באורך של כ-15 ס"מ. תשקול את הרצועות.
   b.) שוקלים 40 גרם אבקת גבס יבשה לכוס נייר. לאט להוסיף 20 מ"ל של מים deionized, ומערבבים את תרחיף עד עקביות חלקה מושגת.
   ג. יוצקים כשליש מהטיח לתוך התבנית. מניחים רצועה אחת של סרט פיברגלס על גבי הטיח, ולוחצים אותה למטה עם מקל העץ. ודא כי טיח ביסודיות מנגח את קלטת פיברגלס.
   ד. יוצקים כמחצית מהטיח הנותר על גבי סרט הפיברגלס. מניחים את הרצועה השנייה של הסרט על גבי הטיח, ותלחצו עליה עם מקל העץ.
   e.) יוצקים את שאר הטיח על גבי הרצועה השנייה, ותלחצו עליו עם מקל העץ. ודא כי טיח ביסודיות להקפיד את קלטת פיברגלס, ולסחוט את כל בועות אוויר.

3. ביצוע ניסויים

1. מדוד את האורך, העובי והרוחב הממוצעים של כל עמודה Measure L (אורך טווח באיור שלהלן) בגוף הבדיקה בן 3 הנקודות, השתמש בכיול מכויל למדידה.
2. השתמש במהירות תזוזה של 5 מ"מ / דקה עבור כל הבדיקות. (אז צריך לאפס וליזום את ה-UTM במהירות תזוזה של 5 מ"מ/דקה). עבור טיח רגיל ודגימת סיבים קצוצים, להפעיל את הבדיקה עד המדגם נכשל. עבור דגימת סרט פיברגלס, להפעיל את הבדיקה עד הסטה היא 6 מ"מ.
3. השתמש בתוכנית LabVIEW במחשב כדי לאסוף את הנתונים מכל בדיקה לקובץ טקסט.

4. תכנית מתל"ב

1. צור תוכנית MATLAB שתעשה את הפעולות הבאות:
2. קרא קובץ טקסט של עמודה בודדת והפרד את הקריאות לנתוני כוח והסטה. המר את הנתונים הגולמיים לכוח ולהסטה באמצעות גורמי ההמרה הבאים:
   כוח = (ערך מרבי של תא עומס / 30000) * מספר שנוצר על-ידי UTM (2)
   הסטה = 0.001mm * מספר שנוצר על-ידי UTM (3)
3. חשב את הכוח הפלקסורלי ואת המתח הפלקסורלי של כל מדגם:
   חוזק פלקסורל σ_f = (3FL)/(2wt²) (4)
   זן פלקסורל ε_f = (6Dt)/(L²) (5)
4. התווה עקומת מתח-מתח עבור כל מדגם. תן ε_f להיות הציר האופקי σ_f להיות הציר האנכי.
5. מצא את ערכי σ_{ε f} המרביים עבור כל דגימה. עבור הדוגמאות המורכבות, בחר את ערך ε_f המתאים לערך σ_f המרבי.
6. מצא את מודולוס_E flexural על ידי חישוב השיפוע של העקומה באזור האלסטי.
7. מצא את האזור תחת כל עקומת מתח מתח.

5. ניתוח נתונים

1. השוואה של כוח flexural ומודולוס של דגימות מרוכבים לזה של מדגם טיח רגיל
   מאז UTM יוצר קובץ טקסט עמודה אחת, הן עבור כוח הסטה, ממשק MATLAB צריך למיין את הערכים המתאימים לתוך מערכים שונים. לכן, כדי לקבוע הן את הכוח והן את הסטה הדרושים למשוואות 4 ו -5, משוואות 2 ו -3 צריך להיות מיושם לתוך MATLAB.
   באמצעות תא עומס מרבי של 1000, הקביעה של כוח גמישות ומתח היא השילוב של כל המשוואות. מאז MATLAB גם מייצר את עקומת מתח-זן של כל מדגם, מודולוס flexural היה התגלה על ידי חישוב השיפוע של האזור האלסטי. באמצעות משוואה 6, מודולוס flexural יחושב ביחס לשתי הנקודות שנבחרו על התוויית מתח-מתח:
   (6)
   בחינת נתונים מדגמיים, נראה כי ככל שיתווספו צורות שונות של חיזוק, כוחן של הדגימות יגדל, עם סרט פיברגלס המספק את הכוח הנוסף הגדול ביותר. במונחים של משיכות, (אשר יכול להיחשב "הכי מעוות פלסטי") קלטת פיברגלס מחוזק הדגימה יהיה הגדול ביותר גם כן.
   כמו כן, אורך סיבים וכיוון משפיעים באופן דרסטי על המאפיינים של דגימות מרוכבים. לדוגמה, חיזוק מרבי יכול להיות מושגת רק כאשר סרט פיברגלס מוגדר במקביל למשטחים של הדגימה. בעשותו כן, אוריינטציה מרחבית זו מאפשרת לקלטת הפיברגלס לעמוד בכוחות נוספים כאשר מטריצת הגבס נכשלת. בנוסף, ניתן גם להסיק כי רצועות ארוכות יותר של סרט פיברגלס יוכיחו לספק יותר כוח מאשר רצועות קצרות יותר. חלקים ארוכים יותר יאפשרו אחיזה מקסימלית בתנאים של מבחן כיפוף של 3 נקודות, שכן יש יותר טיח סביב חיזוק פיברגלס.
2. ספיגת אנרגיה במהלך בדיקת אג"ח
   האזור שמתחת לעקומת המתח מייצג את האנרגיה שחומר סופג לפני הכישלון. על פי התוצאות שנשיג, יוצגו כי הדגימה מחוזקת פיברגלס סופגת את כמות האנרגיה הגדולה ביותר. בנוסף, מאז קשיחות תואמת את היכולת של חומר לספוג אנרגיה מעוות פלסטי ללא שבירה מדגם פיברגלס הוכיח להיות רקיע ביותר על ידי ספיגת הכמות הגדולה ביותר של אנרגיה; דגימת הפיברגלס היא מטבעה הקשה ביותר מבין השלושה. לפיכך, קשיחות היא האיזון בין כוח וצינוריות, ואת מדגם פיברגלס היה האזור הגדול ביותר מתחת עקומת הלחץ שלה.
3. חישוב החוזק התיאורטי של סיבים קצוצים וקלטת פיברגלס מרוכבים באמצעות הנוסחה "כלל התערובות" (מאפייני החומר הרלוונטיים מפורטים בטבלה 1).
   ניתן לחשב את הכוח התיאורטי של המרוכבים באמצעות משוואה 1, שם:
   V_F = שבר נפח של סיבים = (נפח סיבים)/(נפח כולל של המדגם)
   נפח הסיבים = (מסה של סיבים)/(צפיפות סיבים)
   שבר נפח של טיח = V_P = 1- V_F .

טבלה 1. תכונות חומר.

המטרה הכוללת של סדרת הבדיקות הנ"ל היא להשוות את המאפיינים הפיזיים השונים בין תחליפי עצם מורכבים שונים. כוח Flexural ומתח צריך להיות מחושב באמצעות משוואות 4 ו 5, בהתאמה. הלחץ והמתח עבור כל דגימה יותנו ב- MATLAB. מכאן, ניתן למצוא את הכוח הפלקסורלי המרבי ואת המתח הפלקסורלי המתאים עבור כל ערכת נתונים. הלחץ (σ_f1, σ_f2) והמתח (ε_f1, ε_f2) עבור כל נקודת נתונים ישמשו במשוואה 6 כדי לקבוע את מודולוס flexural עבור כל מדגם.

ניסוי זה נועד לחקור כוח כיפוף על שלושה סוגים שונים של חומר מרוכבים. פיברקנו שלוש דגימות עם חומרי חיזוק שונים. המטריצה הייתה טיח של פריז (תרכובת סידן גופרתית), והשתמשנו בסיבי זכוכית קצוצים וסרט פיברגלס כתגבורת. ביצענו בדיקת כיפוף של 3 נקודות על הדגימות המפברקות, וניתחנו את הנתונים שהושגו, והשווינו את המאפיינים של מרוכבים שנעשו עם סיבים ארוכים ומוכוונת לעומת סיבים אקראיים קצרים.

עצמות מטבען יש מבנה מרוכבים חזק, הסתגלות לכוחות רבים ושונים הגוף צריך לעמוד על בסיס עקבי. המבנה המורכב יכול להיות מתואר מטריצה קרמית משולבת עם סיבי פולימר. ההיבט הקרמי מספק חוזק דחיסה גבוה, בעוד סיבי הפולימר מעוררים חוזק כיפוף מוגבר. ככל הנראה, כמהנדסים ביו-רפואיים, היכולת להחליף ולשכפל עצם עקב מחלה או פגיעה טראומטית היא היבט חיוני של מדע הרפואה. יתר על כן, סינתזה של רקמות חלופיות מתאימות ממתכות שונות, פולימרים או קרמיקה היא חלופה מעשית. תחליפים ביו-הנדסה חייבים להתאים לפונקציונליות של עמיתיהם הביולוגיים, והניתוח הביקורתי והבדיקה של ביו-חומרים שונים הופכים חשובים יותר ויותר.