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Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe und ihre Biegeeigenschaften
 

Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe und ihre Biegeeigenschaften

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Ein Verbundwerkstoff ist ein Material, das durch die Kombination einer Matrix mit einem oder mehreren Bewehrungsmaterialien gebildet wird. Die Gesamtbiegefestigkeit eines Verbundwerkstoffs hängt von den Eigenschaften der Materialien ab, aus der er besteht. Eine Keramik ist ein hartes Material mit starken Kompressionseigenschaften, aber dieses Material ist auch sehr spröde. Durch das Mischen von Glas- oder Polymerfasern verwandelt es sich in ein duktileres Material.

Bei künstlichen Knochenverbundwerkstoffen bietet die Keramik beispielsweise die erforderliche Druckfestigkeit, während die Polymerfasern die Zug- und Biegefestigkeit hinzufügen. Durch die Kombination von Keramik- und Polymerwerkstoffen in unterschiedlichen Mengen können einzigartige Materialien für eine spezifische Anwendung erstellt werden.

Dieses Video wird zeigen, wie man drei keramische Matrix-Verbundwerkstoffe mit von Paris macht und bestimmt, welche Zubereitung die stärksten Biegeeigenschaften hat. Die Biegefestigkeit dieser Proben würde mit dem Dreipunktbiegetest gemessen.

Werfen wir einen genaueren Blick auf den Drei-Punkte-Biegetest. Bei diesem Verfahren wird eine stabförmige Probe längs auf zwei parallelen Stiften montiert. Die Montage sollte so sein, dass es das Material dehnen und unter einer äußeren Kraft biegen lässt.

Bei diesem Test wird eine externe Kraft senkrecht zur Probe in der Mitte angewendet. Als Ergebnis erfährt es Kompressionskraft auf der Seite, wo externe Last angewendet wird und Zugkraft auf der gegenüberliegenden Seite, wo es gedehnt wird. Die Kombination dieser beiden Kräfte schafft auch einen Bereich von schiere Mime entlang der Mittellinie.

Diese drei Kräfte entscheiden zusammen über die Biege- oder Biegefestigkeit einer bestimmten Probe. Mit einer Erhöhung der äußeren Kraft erhöht sich auch die Biege- oder Umlenkung eines Materials, bis das Material ausfällt. Die Biegedehnung eines Materials kann mit Hilfe der Durchbiegung, Spannweite und Dicke der Probe berechnet werden. Die Biegespannung des Materials kann aus der angewendeten Kraft, Spannweite, Breite und Dicke der Probe berechnet werden.

Der Dreipunkt-Biegetest ergibt eine Biege- und Dehnungskurve eines Materials. Die Neigung einer Kurve im elastischen Bereich stellt den Biegemodul der Probe dar und misst, wie viel ein bestimmtes Material gebeugt werden kann. Der Bereich unter der Spannungs-Dehnungskurve stellt die Menge an Energie dar, die von einem Material vor dem Ausfall absorbiert wird, daher ist er ein Maß für die Zähigkeit des Materials.

Theoretisch kann die maximale Biegefestigkeit eines Verbundwerkstoffs mit der Regel der Mischungen unter Verwendung der maximalen Biegefestigkeit seiner Matrix und Verstärkungsmaterialien unter Volumenfraktionen berechnet werden.

Nun, da Sie verstehen, wie die Dreipunktbiegemethode funktioniert und wie die Biegeeigenschaften des Materials gemessen werden, machen wir drei keramische Verbundwerkstoffe und finden heraus, welche die höchste Biegefestigkeit hat.

Lassen Sie uns zunächst drei Proben von keramischen Matrix-Verbundwerkstoffen machen. Um zu beginnen, erhalten Sie eine blaue Gummiform, die drei bar-förmige Proben machen kann. Wir machen Ihre erste Probe aus dem schlichten. Zunächst wiegen 40 Gramm trockenes Gipspulver in einen Plastikbecher, dann langsam 20 Milliliter entionisiertes Wasser hinzufügen und mit einem Stock rühren, bis eine glatte Konsistenz erreicht ist. Fahren Sie sofort mit dem nächsten Schritt fort, da der Putz in etwa fünf Minuten zu härten beginnt. Als nächstes gießen Sie die resultierende Gülle in eines der Fächer der Form. Füllen Sie die Form vollständig und glätten Sie sie mit dem Stock. Schließlich werfen Sie den Becher und alle überschüssigen. Bitte halten Sie den Stick für die zukünftige Verwendung.

Sie werden Ihre zweite zusammengesetzte Probe mit dem Gipspulver und gehackten Glasfasern machen. Um dies zu tun, wiegen Sie zuerst vier Gramm gehackte Glasfasern in einen Plastikbecher. Als nächstes wiegen 40 Gramm Gipspulver in die gleiche Tasse dann langsam fügen 20 Milliliter deionisiertes Wasser. Rühren Sie die Gülle mit dem Stock so lange, bis die Fasern gründlich eingemischt sind und eine glatte Konsistenz erreicht ist. Gießen Sie die Gülle in die zweite Form, wie für Probe eins beschrieben.

Sie werden die letzte Zusammengesetzte Probe mit dem einfachen Gipspulver und dem Glasfaserband machen. Um dies zu tun, schneiden Sie zuerst zwei Streifen Glasfaserband etwa fünf Zoll lang und wiegen sie. Zweitens, machen Sie eine Gülle mit einem einfachen Gipspulver, wie Sie für die erste Probe getan haben.

Als nächstes gießen Sie etwa 1/3 des Putzes in die Form. Legen Sie einen Streifen Glasfaserband auf den Putz und drücken Sie mit einem Stock nach unten. Achten Sie immer darauf, dass der Putz das Glasfaserglas gründlich benetzt und dann etwa 1/2 des restlichen Putzes auf das Glasfaserband gießt.

Als nächstes legen Sie den zweiten Bandstreifen auf den Putz und drücken Sie ihn mit einem Stock nach unten. Gießen Sie den Rest des Putzes auf den zweiten Streifen und drücken Sie ihn mit dem Stock nach unten.

Messen Sie die durchschnittliche Länge, Breite und Höhe jedes Balkens. Messen Sie die Spannweite der Probe auf einer Dreipunkt-Prüfvorrichtung mit kalibrierten Kalibern. Stellen Sie das UTM-Instrument auf Null ein und initiieren Sie eine zusätzliche Verdrängungsgeschwindigkeit von fünf Millimetern pro Minute.

Für den einfachen Putz und gehackte Glasfaserproben, führen Sie den Test, bis die Proben fehlschlagen. Führen Sie für den Glasfaserbandverbund den Test aus, bis die Durchbiegung sechs Millimeter beträgt. Verwenden Sie das Lab-View-Programm auf Ihrem Computer, um die Daten aus jedem Test in einer Textdatei zu sammeln.

UTM generiert eine einzelne Spaltentextdatei für Kraft und Ablenkung. Die Lab-Ansichtsschnittstelle sortiert die entsprechenden Messwerte in zwei verschiedene Arrays. Konvertieren Sie nun die Rohdaten in Kraft und die Ablenkung mithilfe der vom UTM und der Wägezelle generierten Zahlen von maximal 1.000.

Als Nächstes berechnen Sie mit Hilfe der Kraft- und Umlenkwerte die Biegespannung und Dehnung. Zeichnen Sie die biegsuren Dehnungsspannungskurve der drei Proben:, gehacktes Glasverbundwerk und Faserbandverbund. Finden Sie die maximale Biegefestigkeit aus der Kurve. Finden Sie auch die Biegedehnung bei maximaler Festigkeit. Berechnen Sie anschließend den Biegemodul und die Gesamtfläche unter der Kurve für jede Probe.

Vergleichen Sie schließlich die Ergebnisse der drei Stichproben. Dieses Experiment zeigt, dass die gewünschte Festigkeit einer Probe durch den Einsatz verschiedener Verstärkungsmaterialien erreicht werden kann. Bei der Untersuchung der Probendaten stellen wir fest, dass Glasfaserband die größte zusätzliche Festigkeit bietet. Es deckt auch die maximale Fläche unter der Kurve ab, ist daher die härteste unter den dreien. Faserlänge und -ausrichtung beeinflussen die Eigenschaften von Verbundproben drastisch.

Die maximale Verstärkung kann beispielsweise nur erreicht werden, wenn das Glasfaserband parallel zu den Oberflächen der Probe eingestellt ist. Diese räumliche Ausrichtung ermöglicht es dem Glasfaserband, zusätzlichen Kräften standzuhalten, wenn die Gipsmatrix versagt. Längere Teile würden eine maximale Traktion unter dem Test ermöglichen, da es mehr Putz um die Glasfaserverstärkung gibt.

Keramische Matrix-Verbundwerkstoffe werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt: Weltraumwissenschaft, Bioengineering und Kfz-Bruchsysteme. Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe werden auch bei der Synthese unserer künstlichen Knochen verwendet. Unsere Knochen haben von Natur aus eine starke Verbundstruktur, so dass die Fähigkeit, einen Knochen aufgrund von Krankheit oder traumatischen Verletzungen zu ersetzen und zu replizieren ist ein wichtiger Bestandteil der medizinischen Wissenschaft.

Keramikverbundwerkstoffe bieten aufgrund ihrer höheren Festigkeit, höheren thermischen Stabilität und ihres geringeren Verschleißes auch außergewöhnliche Zerbruchsysteme für Die Automobilindustrie. Aus diesen Gründen werden sie in Sportwagen eingesetzt.

Sie haben gerade Joves Einführung in Keramische Matrix-Verbundwerkstoffe und ihre Biegeeigenschaften gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie Sie ein Verbundwerkstoff herstellen, seine Biegeeigenschaften mit dem Dreipunktbiegetest testen und es mit den anderen Verbundwerkstoffen vergleichen.

Danke fürs Zuschauen.

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