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Materiais compostos de matriz cerâmica e suas propriedades de dobra
 
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Materiais compostos de matriz cerâmica e suas propriedades de dobra

Overview

Fonte: Sina Shahbazmohamadi e Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti, Escola de Engenharia, Universidade de Connecticut, Storrs, CT

Ossos são compósitos, feitos de matriz cerâmica e reforços de fibra de polímero. A cerâmica contribui com força compressiva, e o polímero proporciona resistência à tração e flexural. Ao combinar materiais cerâmicos e polímeros em diferentes quantidades, o corpo pode criar materiais exclusivos sob medida para uma aplicação específica. Como engenheiros biomédicos, ter a capacidade de substituir e replicar osso devido a doenças ou lesões traumáticas é uma faceta vital da ciência médica.

Neste experimento, criaremos três diferentes compósitos de matriz cerâmica com gesso de Paris (que é um composto de sulfato de cálcio), e permitiremos que eles sejam submetidos a um teste de dobra de três pontos, a fim de determinar qual preparação é a mais forte. Os três compósitos são os seguintes: um composto apenas de gesso de Paris, um com fragmentos de vidro picados misturados em uma matriz de gesso e, por último, uma matriz de gesso com uma rede de fibra de vidro embutida dentro dela.

Principles

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Quando um determinado material precisa ser testado, um dos principais métodos de testar a força de menos materiais dúcteis é um teste de dobra de três pontos. O teste de dobra de três pontos é um método que permite que uma determinada amostra experimente uma combinação de forças (compressivas e tração), bem como um plano de estresse de cisalhamento no meio do material que é representativo da maioria das forças a que os ossos humanos são constantemente submetidos. Com os resultados deste experimento pode-se alcançar uma melhor compreensão dos materiais compostos, juntamente com o escopo e limitações desses biomateriais.

No teste de dobra de 3 pontos, a parte inferior da amostra está em tensão, a parte superior está em compressão, e há um plano de cisalhamento no meio da amostra (Figura 1).

Figure 1
Figura 1: Representação esquemática do teste de dobra de 3 pontos.

Osso vivo pode remodelar e se reestruturar para acomodar essas forças. Por exemplo, nos ossos das costelas há uma alta concentração de fase mineral no interior da curva (onde há forças compressivas) e uma alta concentração de fibras de colágeno na parte externa da curva (onde há forças de tração).

As propriedades de um composto são baseadas nas propriedades de sua matriz e materiais de enchimento. Várias fórmulas foram desenvolvidas para calcular a força geral e o módulo de um composto em função do tipo e quantidade de enchimentos. A mais simples delas é a "regra das misturas", que dá o valor teórico máximo do imóvel em questão. A regra das misturas para a força flexural é dada abaixo:

σcomp = σmVm + σ1V1 + σ2V2 + ... (1)

Onde:

σcomp = máximo de força teórica do composto

σm = força da matriz

σ1, 2 de σ... = pontos fortes dos materiais de enchimento 1, 2, etc.

Vm, V1, V2,.. = frações de volume da matriz e enchimentos.

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Procedure

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1. Fazer uma amostra de gesso simples

  1. Obtenha um molde de borracha azul do instrutor. Cada molde pode fazer 3 amostras em forma de barra, o tamanho de cada barra é aproximadamente cerca de 26 mm na largura, 43 mm no comprimento e 10 mm na espessura.
  2. Pesar 40 gramas de pó de gesso seco em um copo de papel. Adicione lentamente 20 ml de água deionizada e mexa o chorume com uma vara de madeira, até que se alcance uma consistência suave. Prossiga imediatamente para o passo 3! O gesso começa a endurecer em ~5 minutos.
  3. Despeje o chorume resultante em um dos compartimentos do molde. Encha o molde completamente, e alise-o com a vara de madeira. Jogue fora o copo e qualquer excesso de gesso; manter a vara para uso futuro.

2. Fazer duas amostras compostas

  1. Prepare a amostra feita com reforço de fibra picada:
    a.) Pesar 4 gramas de fibras de vidro picadas em um copo de papel.
    b.) Pesar 40 gramas de pó de gesso no mesmo copo.
    c.) Adicione lentamente 20 ml de água deionizada e mexa o chorume com a vara de madeira, até que as fibras estejam completamente misturadas, e uma consistência suave seja alcançada.
    d.) Despeje o chorume em um dos compartimentos de molde. Encha o molde completamente, e alise-o com a vara de madeira.
  2. Prepare a amostra feita com fita de fibra de vidro:
    a.) Corte 2 tiras de fita de fibra de vidro, cerca de 5 polegadas de comprimento. Pesar as tiras.
    b.) Pesar 40 gramas de pó de gesso seco em um copo de papel. Adicione lentamente 20 ml de água deionizada e mexa o chorume até que se alcance uma consistência suave.
    c.) Despeje cerca de um terço do gesso no molde. Coloque uma tira de fita de fibra de vidro em cima do gesso, e pressione-a para baixo com a vara de madeira. Certifique-se de que o gesso molhe completamente a fita de fibra de vidro.
    d.) Despeje cerca de metade do gesso restante em cima da fita de fibra de vidro. Coloque a segunda tira de fita em cima do gesso, e pressione-a para baixo com a vara de madeira.
    e.) Despeje o resto do gesso em cima da segunda tira e pressione-o para baixo com a vara de madeira. Certifique-se de que o gesso molhe completamente a fita de fibra de vidro e esprema todas as bolhas de ar.

3. Realizando experimentos

  1. Meça o comprimento médio, a espessura e a largura de cada barra Medida L (comprimento de extensão na figura abaixo) no dispositivo de teste de 3 pontos, use pinças calibradas para a medição.
  2. Use uma velocidade de deslocamento de 5 mm/min para todos os testes. (O UTM deve então ser zerado e iniciado a uma velocidade de deslocamento de 5mm/min). Para a amostra de gesso simples e fibra picada, execute o teste até que a amostra falhe. Para a amostra de fita de fibra de vidro, execute o teste até que a deflexão seja de 6 mm.
  3. Use o programa LabVIEW no computador para coletar os dados de cada teste em um arquivo de texto.

4. Programa MATLAB

  1. Crie um programa MATLAB que fará o seguinte:
  2. Leia um único arquivo de texto de coluna e separe as leituras em vigor e desvie dados. Converta os dados brutos em força e deflexão usando os seguintes fatores de conversão:
    Força = (Valor Máximo da Célula de Carga / 30000) * Número gerado por UTM (2)
    Deflexão = 0,001mm * Número gerado por UTM (3)
  3. Calcule a resistência flexural e a tensão flexural de cada amostra:
    Força flexural σf = (3FL)/(2wt2) (4)
    Cepa flexural εf = (6Dt)/(L2) (5)
  4. Trace uma curva de tensão para cada amostra. Que εseja o eixo horizontal e σf seja o eixo vertical.
  5. Encontre os valores máximos σf e εf para cada amostra. Para as amostras compostas, selecione o valor εf que corresponde ao valor máximo de σf.
  6. Encontre o módulo flexural Ef calculando a inclinação da curva na região elástica.
  7. Encontre a área sob cada curva de tensão.

5. Análise de dados

  1. Comparação da força flexural e módulo das amostras compostas com a amostra de gesso simples
    Como o UTM gera um único arquivo de texto de coluna, tanto para força quanto para deflexão, a interface MATLAB tem que classificar os valores correspondentes em diferentes matrizes. Assim, para determinar tanto a força quanto a deflexão necessária para as Equações 4 e 5, as Equações 2 e 3 devem ser implementadas no MATLAB.
    Usando uma célula de carga máxima de 1000, a determinação de força flexural e tensão é a combinação de todas as equações. Como o MATLAB também gera a curva de tensão de estresse de cada amostra, o módulo flexural foi verificado através do cálculo da inclinação da região elástica. Usando a Equação 6,o módulo flexural será calculado em relação aos dois pontos selecionados na trama de tensão de estresse:
    Equation 1(6)
    Examinando os dados de uma amostra, veremos que à medida que diferentes formas de reforço forem adicionadas, a força das amostras será aumentada, com fita de fibra de vidro proporcionando a maior resistência adicional. Em termos de ductilidade, (que pode ser considerado como o "mais plasticamente deformável") a amostra reforçada de fibra de vidro também será a maior.
    Além disso, o comprimento e a orientação da fibra afetam drasticamente as propriedades das amostras compostas. Por exemplo, o reforço máximo só pode ser alcançado quando a fita de fibra de vidro é definida paralelamente às superfícies do espécime. Ao fazê-lo, esta orientação espacial permite que a fita de fibra de vidro resista a forças adicionais à medida que a matriz de gesso falha. Além disso, também pode-se concluir que tiras mais longas de fita de fibra de vidro provariam fornecer mais força do que tiras mais curtas. Peças mais longas permitiriam tração máxima sob as condições de um teste de dobra de 3 pontos, pois há mais gesso em torno do reforço de fibra de vidro.
  2. Absorção de energia durante o teste de títulos
    A área sob a curva de tensão representa a energia que um material absorve antes da falha. De acordo com os resultados que alcançaremos, será demonstrado que a amostra reforçada de fibra de vidro absorve a maior quantidade de energia. Além disso, uma vez que a dureza corresponde à capacidade de um material absorver energia e deformar plasticamente sem fraturar e a amostra de fibra de vidro provou ser a mais dúctil absorvendo a maior quantidade de energia; o espécime de fibra de vidro é inerentemente o mais resistente entre os três. Assim, a dureza é o equilíbrio entre força e ductilidade, e a amostra de fibra de vidro teve a maior área abaixo de sua curva de tensão.
  3. Cálculo da força teórica dos compostos de fibra e fibra de vidro picados utilizando a fórmula "regra das misturas" (as propriedades relevantes do material estão listadas na Tabela 1).
    A força teórica do composto pode ser calculada através da Equação 1, onde:
    VF = fração de volume de fibra = (volume de fibra)/(volume total da amostra)
    Volume de fibra = (massa de fibras)/(densidade de fibras)
    Fração de volume de gesso = VP = 1- VF .
Densidade, g/ml Força flexural, MPa
Fibras de vidro picadas 2.5 35
Fita de fibra de vidro 0.45 35
Gesso NA NA

Mesa 1. Propriedades materiais.

Um composto é um material formado pela combinação de uma matriz e um ou mais materiais de reforço. A força total de dobra de um composto depende das propriedades dos materiais que ele é composto. Uma cerâmica é um material duro com fortes propriedades de compressão, mas este material também é muito frágil. Ao misturar fibras de vidro ou polímeros, ele se transforma em um material mais dúctil.

Por exemplo, em compósitos ósseos artificiais, a cerâmica fornece a força compressiva necessária, enquanto as fibras de polímero adicionam a resistência à tração e flexural a ele. Ao combinar materiais cerâmicos e polímeros em diferentes quantidades, materiais únicos podem ser criados sob medida para uma aplicação específica.

Este vídeo ilustrará como fazer três compósitos de matriz cerâmica com gesso de Paris e determinar qual preparação tem as propriedades de dobra mais fortes. A força flexural dessas amostras seria medida usando o teste de dobra de três pontos.

Vamos dar uma olhada mais de perto no teste de dobra de três pontos. Neste método, uma amostra em forma de barra é montada longitudinalmente em dois pinos paralelos. A montagem deve ser tal que permite que o material se estendam, bem como se dobre sob uma força externa.

Neste teste, é aplicada uma força externa perpendicular à amostra no meio. Como resultado, ele sofre força de compressão no lado onde a carga externa é aplicada e força de tração no lado oposto onde é esticada. A combinação dessas duas forças também cria uma área de estresse ao longo da linha média.

Estas três forças juntas decidem a força flexível ou flexível de uma determinada amostra. Com um aumento da força externa, a quantidade de dobra ou deflexão de um material também aumenta até que o material falhe. A tensão flexural em um material pode ser calculada usando a deflexão, comprimento de extensão e espessura da amostra. O estresse flexural do material pode ser calculado a partir da força aplicada, comprimento de extensão, largura e espessura da amostra.

O teste de dobra de três pontos dá um estresse flexural e uma curva de tensão de um material. A inclinação de uma curva na região elástica representa o módulo flexural da amostra e mede o quanto um determinado material pode ser flexionado. A área sob a curva de tensão representa a quantidade de energia absorvida por um material antes da falha, portanto, é uma medida da dureza do material.

Teoricamente, a força flexural máxima de um composto pode ser calculada com a regra das misturas utilizando a força flexural máxima de sua matriz e materiais de reforço sob frações de volume.

Agora que você entende como funciona o método de dobra de três pontos e como medir as propriedades de dobra do material, vamos fazer três compósitos baseados em cerâmica e descobrir qual deles tem a maior força de dobra.

Primeiro vamos fazer três amostras de compósitos de matriz cerâmica. Para começar, obtenha um molde de borracha azul que pode fazer três amostras em forma de barra. Faremos sua primeira amostra do gesso simples. Para começar, pese 40 gramas de pó de gesso seco em um copo plástico e adicione lentamente 20 mililitros de água deionizada e mexa com uma vara até que uma consistência lisa seja alcançada. Prossiga imediatamente para o próximo passo porque o gesso começa a endurecer em aproximadamente cinco minutos. Em seguida, despeje o chorume resultante em um dos compartimentos do molde. Encha o molde completamente e alise-o com a vara. Finalmente, jogue fora o copo e qualquer excesso de gesso. Por favor, mantenha o bastão para uso futuro.

Você fará sua segunda amostra composta usando o pó de gesso e fibras de vidro picadas. Para isso, primeiro pesar quatro gramas de fibras de vidro picadas em um copo de plástico. Em seguida, pese 40 gramas de pó de gesso no mesmo copo e adicione lentamente 20 mililitros de água deionizada. Continue mexendo o chorume com a vara até que as fibras estejam completamente misturadas e uma consistência suave seja alcançada. Despeje o chorume no segundo molde, conforme descrito para a amostra um.

Você fará a última amostra composta usando o pó de gesso simples e a fita de vidro de fibra. Para fazer isso, primeiro corte duas tiras de fita de vidro de fibra de cerca de cinco polegadas de comprimento e pese-as. Segundo, faça um chorume com um pó de gesso simples como fez para a primeira amostra.

Em seguida, despeje cerca de 1/3 do gesso no molde. Coloque uma tira de fita de vidro em cima do gesso e pressione para baixo com uma vara. Certifique-se sempre de que o gesso molha completamente o vidro de fibra e despeje cerca de 1/2 do gesso restante em cima da fita de vidro de fibra.

Em seguida, coloque a segunda tira de fita em cima do gesso e pressione-a para baixo com uma vara. Despeje o resto do gesso em cima da segunda tira e pressione-o para baixo com a vara.

Meça o comprimento médio, largura e altura de cada barra. Meça o comprimento de extensão da amostra em luminária de teste de três pontos usando calibres calibrados. Defina o instrumento UTM como zero e inicie uma velocidade de deslocamento adicional de cinco milímetros por minuto.

Para as amostras de gesso simples e fibra de vidro picada, execute o teste até que as amostras falhem. Para o composto de fita de fibra de vidro, execute o teste até que a deflexão seja de seis milímetros. Use o programa de exibição de laboratório em seu computador para coletar os dados de cada teste em um arquivo de texto.

UTM gera um único arquivo de texto de coluna para força e deflexão. A interface de exibição de laboratório classifica as leituras correspondentes em duas matrizes diferentes. Agora, converta os dados brutos em força e deflexão usando os números gerados pelo UTM e pelo valor máximo da célula de carga de 1.000.

Em seguida, usando os valores de força e deflexão, calcule o estresse flexural e a tensão. Trace a curva flexural de tensão-estresse das três amostras: gesso, composto de vidro picado e composto de fita de fibra. Encontre a força flexural máxima da curva. Encontre também a tensão flexural com a força máxima. Em seguida, calcule o módulo flexural e a área total sob a curva para cada amostra.

Por fim, compare os resultados das três amostras. Este experimento demonstra que a força desejada de uma amostra pode ser alcançada usando diferentes materiais de reforço. Examinando os dados da amostra, vemos que a fita de fibra de vidro fornece a maior força adicional. Ele também cobre a área máxima sob a curva, portanto é o mais resistente entre os três. O comprimento e a orientação da fibra afetam drasticamente as propriedades das amostras compostas.

Por exemplo, o reforço máximo só pode ser alcançado quando a fita de vidro de fibra é definida paralelamente às superfícies da amostra. Esta orientação espacial permite que a fita de vidro de fibra resista a forças adicionais à medida que a matriz de gesso falha. Peças mais longas permitiriam tração máxima sob o teste, pois há mais gesso em torno do reforço de vidro de fibra.

Os compósitos de matriz cerâmica são usados em uma ampla gama de campos: ciência espacial, bioengenharia e sistemas de quebra de automóveis. Compósitos de matriz cerâmica também são usados na sintetização de nossos ossos artificiais. Nossos ossos inerentemente têm uma forte estrutura composta, assim, ter a capacidade de substituir e replicar um osso devido a doença ou lesão traumática é componente importante da ciência médica.

Os compósitos cerâmicos também fornecem sistemas de quebra automotiva excepcionais devido à sua maior resistência, maior estabilidade térmica e menor desgaste. Por essas razões eles são usados em carros esportivos.

Você acabou de assistir a introdução de Jove a materiais compostos da matriz cerâmica e suas propriedades de dobra. Agora você deve entender como fazer um material composto, testar suas propriedades de dobra usando o teste de dobra de três pontos e compará-lo com os outros compósitos.

Obrigado por assistir.

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Results

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O objetivo geral da série de testes acima mencionados é comparar as diferentes características físicas entre vários substitutos ósseos compostos. A resistência e a tensão flexis precisam ser calculadas usando as Equações 4 e 5, respectivamente. O estresse e a tensão de cada amostra serão traçados no MATLAB. A partir disso, a força flexural máxima e a tensão flexural correspondente podem ser encontradas para cada conjunto de dados. O estresse (σf1, σf2) e a tensãof1, εf2) para cada ponto de dados serão então utilizados na Equação 6, a fim de determinar o módulo flexural para cada amostra.

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Applications and Summary

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Este experimento foi projetado para estudar a força flexural em três tipos diferentes de material composto. Fabricamos três espécimes com diferentes materiais de reforço. A matriz era gesso de Paris (um composto de sulfato de cálcio), e usamos fibras de vidro picadas e fita de fibra de vidro como reforços. Realizamos teste de dobra de 3 pontos nas amostras fabricadas e analisamos os dados alcançados, comparando as propriedades dos compósitos feitos com fibras longas e orientadas versus fibras aleatórias curtas.

Os ossos têm inerentemente uma forte estrutura composta, uma adaptação às muitas forças diferentes que o corpo tem que suportar de forma consistente. A estrutura composta pode ser descrita como uma matriz cerâmica intercalada com fibras de polímero. O aspecto cerâmico proporciona alta resistência compressiva, enquanto as fibras de polímero dão origem a maior força flexural. Evidentemente, como engenheiros biomédicos, ter a capacidade de substituir e replicar osso devido a doença ou lesão traumática é uma faceta vital da ciência médica. Além disso, sintetizar tecidos de substituição adequados de vários metais, polímeros ou cerâmicas é uma alternativa viável. As substituições bioengenharia devem corresponder à funcionalidade de suas contrapartes biológicas, e a análise crítica e os testes de diferentes biomateriais se tornam cada vez mais importantes.

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