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Materials Engineering

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セラミックマトリックス複合材料とその曲げ特性
 

セラミックマトリックス複合材料とその曲げ特性

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複合材料は、マトリックスと 1 つ以上の補強材料を組み合わせて形成される材料です。コンポジットの全体的な曲げ強度は、それが構成されている材料の特性によって異なります。セラミックは圧縮特性が強い硬質材料ですが、この材料も非常に脆いです。ガラスやポリマー繊維を混合することで、より延性材料に変わります。

例えば、人工骨複合材料では、セラミックは必要な圧縮強度を提供し、ポリマー繊維はそれに引張りおよび曲げ強度を加える。セラミック材料とポリマー材料を異なる量に組み合わせることで、特定の用途に合わせた独自の材料を作成できます。

このビデオでは、パリの石膏で3つのセラミックマトリックス複合材料を作成し、どの調製物が最も強い曲げ特性を持っているかを決定する方法を説明します。これらのサンプルの曲げ強度は、3点曲げ試験を用いて測定する。

3点曲げ試験を詳しく見てみましょう。この方法では、棒状サンプルが2つの平行ピンに縦に取り付けられる。取り付けは、材料が伸び、外力の下で曲がるようにする必要があります。

このテストでは、外力が中央のサンプルに対して垂直に適用されます。その結果、外部荷重が加えられる側に圧縮力が加われ、反対側に引張力が引き伸ばされます。これら 2 つの力の組み合わせは、中間線に沿って完全な応力の領域も作成します。

これら3つの力は、特定のサンプルの曲げまたは曲げ強度を一緒に決定します。外力の増加に伴い、材料が故障するまで、材料の曲げまたはたわみの量も増加します。材料の曲げひずみは、サンプルのたわみ、スパンの長さ、および厚さを使用して計算できます。材料の曲げ応力は、適用された力、スパンの長さ、幅、およびサンプルの厚さから計算できます。

3点曲げ試験は、材料の曲げ応力とひずみ曲線を与えます。弾性領域内の曲線の傾きは、サンプルの曲げ弾性率を表し、特定の材料をどれだけ曲げることができるかを測定します。応力-ひずみ曲線の下の面積は、故障前に材料によって吸収されるエネルギー量を表し、したがって、材料の靭性の尺度である。

理論的には、複合材料の最大曲げ強度は、そのマトリックスの最大曲げ強度と体積分率の下の補強材料を使用して混合物のルールで計算することができます。

3点曲げ方法の仕組みと材料の曲げ特性の測定方法を理解したので、3つのセラミックベースの複合材料を作成し、どれが最も高い曲げ強度を持っているのかを見つけましょう。

まず、セラミックマトリックス複合材料の3つのサンプルを作りましょう。まず、3つの棒状のサンプルを作ることができる青いゴム型を取得します。私たちは、プレーン石膏からあなたの最初のサンプルを作ります。まず、プラスチックカップに乾燥石膏パウダーの40グラムを重量を量り、ゆっくりと脱イオン水の20ミリリットルを追加し、滑らかな一貫性が達成されるまでスティックでそれを攪拌します。石膏は約5分で硬化し始めるので、すぐに次のステップに進みます。次に、得られたスラリーを金型のコンパートメントの1つに注ぎます。金型を完全に充填し、スティックでそれを滑らかにします。最後に、カップと余分な石膏を捨てなさい。将来の使用のためにスティックを保管してください。

石膏パウダーと刻んだガラス繊維を使用して、2番目の複合サンプルを作ります。そのためには、まず4グラムのガラス繊維をプラスチック製のカップに重くします。次に、同じカップに石膏パウダーの40グラムの重量を量り、ゆっくりと脱イオン水の20ミリリットルを追加します。繊維が完全に混合され、滑らかな一貫性が達成されるまで、スティックでスラリーを攪拌し続けます。サンプル1の説明に従って、スラリーを第2金型に注ぎます。

あなたは、プレーン石膏パウダーと繊維ガラステープを使用して、最後の複合サンプルを作ります。そのためには、まずファイバーグラステープを2本切って約5インチの長さで重くします。第二に、最初のサンプルのようにプレーンな石膏パウダーでスラリーを作ります。

次に、石膏の約1/3を金型に注ぎます。石膏の上に繊維ガラステープの1ストリップを置き、スティックで押し下げ。石膏が繊維ガラスを十分に濡らし、残りの石膏を繊維ガラステープの上に注ぎます。

次に、石膏の上にテープの2番目のストリップを置き、スティックでそれを押し下げ。残りの石膏を2番目のストリップの上に注ぎ、スティックでそれを押し下げ。

各バーの平均の長さ、幅、および高さを測定します。校正済みのキャリバーを使用して、3点試験器具のサンプルのスパン長を測定します。UTM計測器をゼロに設定し、毎分5ミリメートルの追加変位速度を開始します。

プレーン石膏と刻んだガラス繊維サンプルの場合は、サンプルが故障するまでテストを実行します。ファイバーガラステープコンポジットの場合は、たわみが6ミリメートルになるまでテストを実行します。コンピュータのラボ ビュー プログラムを使用して、各テストのデータをテキスト ファイルに収集します。

UTM は、力と偏向の両方に対して単一の列テキスト ファイルを生成します。ラボ ビュー インターフェイスは、対応する読み取り値を 2 つの異なる配列に並べ替えます。次に、UTM とロード セルの最大値 1,000 で生成された数値を使用して、生データをフォースおよび偏向に変換します。

次に、力とたわみ値を使用して、曲げ応力とひずみを計算します。石膏、チョップドガラス複合材料、繊維テープコンポジットの3つのサンプルの曲げひずみ応力曲線をプロットします。カーブから最大曲げ強度を見つけます。また、最大強度で曲げひずみを見つけます。次に、各サンプルの曲線の下の曲げ弾性率と総面積を計算します。

最後に、3つのサンプルの結果を比較します。この実験は、異なる補強材を使用してサンプルの所望の強度を達成できることを実証する。サンプルデータを調べると、ファイバーグラステープが最大の強度を提供することがわかります。また、曲線の下の最大面積をカバーしているので、3つの中で最も厳しいです。繊維の長さと向きは、複合サンプルの特性に大きな影響を与えます。

例えば、最大補強は、繊維ガラステープが試料の表面に平行に設定されている場合にのみ達成することができる。この空間的な向きにより、石膏マトリックスが故障した場合に、繊維ガラステープが追加の力に耐えることができます。長い部分は、繊維ガラス補強を取り囲むより多くの石膏があるので、テストの下で最大の牽引を可能にします。

セラミックマトリックス複合材料は、宇宙科学、バイオエンジニアリング、自動車破壊システムなど、幅広い分野で使用されています。セラミックマトリックス複合材料は、人工骨の合成にも使用されます。私たちの骨は本質的に強い複合構造を有し、したがって、疾患や外傷による骨を交換し、複製する能力を有することは、医学の重要な構成要素です。

セラミック複合材料はまた、その高い強度、高い熱安定性、および低い摩耗のために優れた自動車破壊システムを提供します。これらの理由から、彼らはスポーツカーで使用されています。

ジョーブのセラミックマトリックス複合材料の概要とその曲げ特性をご覧いただきました。ここで、複合材料の作成方法を理解し、3 点曲げ試験を使用して曲げプロパティをテストし、他のコンポジットと比較する必要があります。

見てくれてありがとう。

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