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Matériaux composites à matrice céramique et leurs propriétés de flexion
 

Matériaux composites à matrice céramique et leurs propriétés de flexion

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Un composite est un matériau formé en combinant une matrice et un ou plusieurs matériaux de renfort. La résistance globale d'un composite dépend des propriétés des matériaux dont il est composé. Une céramique est un matériau dur avec de fortes propriétés de compression, mais ce matériau est également très fragile. En le mélangeant de fibres de verre ou de polymère, il se transforme en un matériau plus ductile.

Par exemple, dans les composites osseux artificiels, la céramique fournit la résistance compressive requise tandis que les fibres de polymère y ajoutent la résistance et la résistance. En combinant des matériaux en céramique et en polymère en différentes quantités, des matériaux uniques peuvent être créés sur mesure pour une application spécifique.

Cette vidéo illustrera comment faire trois composites de matrice céramique avec plâtre de Paris et déterminer quelle préparation a les propriétés de flexion les plus fortes. La résistance flexurale de ces échantillons serait mesurée à l'aide de l'essai de flexion à trois points.

Examinons de plus près le test de flexion en trois points. Dans cette méthode, un échantillon en forme de barre est monté dans le sens de la longueur sur deux broches parallèles. Le montage doit être tel qu'il permet au matériau de s'étirer et de se plier sous une force extérieure.

Dans ce test, une force externe est appliquée perpendiculairement à l'échantillon au milieu. En conséquence, il subit une force de compression sur le côté où la charge externe est appliquée et la force de tension sur le côté opposé où il est étiré. La combinaison de ces deux forces crée également une zone de stress le long de la ligne médiane.

Ces trois forces décident ensemble de la flexion ou de la force flexurale d'un échantillon donné. Avec une augmentation de la force externe, la quantité de flexion ou de déviation d'un matériau augmente également jusqu'à ce que le matériau tombe en panne. La contrainte flexurale sur un matériau peut être calculée en utilisant la déviation, la longueur de la portée et l'épaisseur de l'échantillon. Le stress flexural du matériau peut être calculé à partir de la force appliquée, de la longueur de la portée, de la largeur et de l'épaisseur de l'échantillon.

L'essai de flexion en trois points donne un stress flexural et une courbe de contrainte d'un matériau. La pente d'une courbe dans la région élastique représente le modulus flexural de l'échantillon et mesure la quantité de matériau donné qui peut être fléchie. La zone sous la courbe de contrainte-souche représente la quantité d'énergie absorbée par un matériau avant l'échec, par conséquent, c'est une mesure de la dureté du matériau.

Théoriquement, la résistance flexurale maximale d'un composite peut être calculée avec la règle des mélanges en utilisant la force flexurale maximale de sa matrice et des matériaux de renforcement sous les fractions de volume.

Maintenant que vous comprenez comment fonctionne la méthode de flexion à trois points et comment mesurer les propriétés de flexion du matériau, faisons trois composites à base de céramique et de savoir lequel a la plus grande résistance de flexion.

Faisons d'abord trois échantillons de composites de matrice céramique. Pour commencer, obtenir un moule en caoutchouc bleu qui peut faire trois échantillons en forme de barre. Nous ferons votre premier échantillon à partir du plâtre ordinaire. Pour commencer, peser 40 grammes de poudre de plâtre sec dans une tasse en plastique, puis ajouter lentement 20 millilitres d'eau déionisée et remuer avec un bâton jusqu'à ce qu'une consistance lisse est atteint. Passez immédiatement à l'étape suivante parce que le plâtre commence à durcir en environ cinq minutes. Ensuite, versez la boue résultante dans l'un des compartiments du moule. Remplissez complètement le moule et lissez-le avec le bâton. Enfin, jetez la tasse et tout excès de plâtre. S'il vous plaît garder le bâton pour une utilisation future.

Vous ferez votre deuxième échantillon composite en utilisant la poudre de plâtre et les fibres de verre hachées. Pour ce faire, d'abord peser quatre grammes de fibres de verre hachées dans une tasse en plastique. Ensuite, peser 40 grammes de poudre de plâtre dans la même tasse, puis ajouter lentement 20 millilitres d'eau déionisée. Continuez à remuer la boue avec le bâton jusqu'à ce que les fibres soient bien mélangées et qu'une consistance lisse soit obtenue. Verser la boue dans le deuxième moule tel que décrit pour l'échantillon un.

Vous ferez le dernier échantillon composite utilisant la poudre de plâtre ordinaire et le ruban en verre de fibre. Pour ce faire, d'abord couper deux bandes de ruban en fibre de verre d'environ cinq pouces de long et de les peser. Deuxièmement, faire une boue avec une poudre de plâtre ordinaire comme vous l'avez fait pour le premier échantillon.

Ensuite, versez environ 1/3 du plâtre dans le moule. Placez une bande de ruban en fibre de verre sur le dessus du plâtre et appuyez sur le bas avec un bâton. Assurez-vous toujours que le plâtre mouille soigneusement le verre de fibre puis versez environ 1/2 du plâtre restant sur le dessus du ruban de verre de fibre.

Ensuite, placez la deuxième bande de ruban adhésif sur le dessus du plâtre et appuyez dessus avec un bâton. Verser le reste du plâtre sur le dessus de la deuxième bande et appuyez dessus avec le bâton.

Mesurez la longueur, la largeur et la hauteur moyennes de chaque barre. Mesurer la durée de l'échantillon sur un appareil d'essai à trois points à l'aide de calibres calibrés. Définir l'instrument UTM à zéro et initier une vitesse de déplacement supplémentaire de cinq millimètres par minute.

Pour les échantillons de plâtre ordinaire et de fibres de verre hachés, exécutez le test jusqu'à ce que les échantillons échouent. Pour le composite de ruban de verre de fibre, exécutez l'essai jusqu'à ce que la déviation soit six millimètres. Utilisez le programme de vue de laboratoire sur votre ordinateur pour collecter les données de chaque test dans un fichier texte.

UTM génère un fichier texte de colonne unique pour la force et la déviation. L'interface de vue de laboratoire trie les lectures correspondantes en deux tableaux différents. Maintenant, convertissez les données brutes en force et en déviation en utilisant les nombres générés par l'UTM et la valeur maximale des cellules de charge de 1 000.

Ensuite, en utilisant les valeurs de force et de déviation, calculez le stress et la tension flexurales. Tracez la courbe flexurale de contrainte de contrainte des trois échantillons : plâtre, composite de verre haché, et composite de bande de fibre. Trouvez la résistance flexurale maximale de la courbe. Trouvez également la souche flexurale à la force maximale. Ensuite, calculez le modulus flexural et la superficie totale sous la courbe pour chaque échantillon.

Enfin, comparez les résultats des trois échantillons. Cette expérience démontre que la force désirée d'un échantillon peut être atteinte en utilisant différents matériaux de renforcement. En examinant les données de l'échantillon, nous voyons que la bande de verre de fibre fournit la plus grande force supplémentaire. Il couvre également la zone maximale sous la courbe, est donc le plus difficile parmi les trois. La longueur et l'orientation des fibres affectent considérablement les propriétés des échantillons composites.

Par exemple, le renforcement maximal ne peut être atteint que lorsque le ruban en fibre de verre est mis parallèlement aux surfaces du spécimen. Cette orientation spatiale permet au ruban en fibre de verre de résister à des forces supplémentaires lorsque la matrice de plâtre tombe en panne. Des pièces plus longues permettraient une traction maximale sous l'essai car il y a plus de plâtre entourant le renfort en verre de fibre.

Les composites de matrice céramique sont utilisés dans un large éventail de domaines : la science spatiale, la bioingénierie et les systèmes de rupture automobile. Les composites de matrice céramique sont également utilisés dans la synthèse de nos os artificiels. Nos os ont intrinsèquement une structure composite forte ayant ainsi la capacité de remplacer et de reproduire un os en raison d'une maladie ou d'une blessure traumatique est une composante importante de la science médicale.

Les composites en céramique offrent également des systèmes de rupture automobile exceptionnels en raison de leur résistance plus élevée, d'une plus grande stabilité thermique et d'une usure plus faible. Pour ces raisons, ils sont utilisés dans les voitures de sport.

Vous venez de regarder l'introduction de Jove aux matériaux composites de matrice céramique et à leurs propriétés de flexion. Vous devez maintenant comprendre comment faire un matériau composite, tester ses propriétés de flexion à l'aide du test de flexion à trois points, et le comparer avec les autres composites.

Merci d'avoir regardé.

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