The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites in service is a critical aspect for their designs and condition-based maintenance. We present a novel low-cost laboratory testing platform for the investigation of the influence of concurrent mechanical and environmental loadings, and may help design more efficient yet safer composite structures.
העמידות של פולימרים וחומרים מרוכבים פולימר מחוזק בסיבים בתנאי שירות היא היבט קריטי להתייחס לעיצובים חזקים שלהם ותחזוקה מבוססת מצב. חומרים אלה אומצו במגוון רחב של יישומים הנדסיים, ממבני מטוסים וספינה, לגשרים, להבי טורבינות רוח, ביו-חומרים ושתלים ביו-רפואיים. פולימרים הם חומרי viscoelastic, והתגובה שלהם עשויה להיות בלתי ליניארית וכך להפוך אותו למאתגר לחזות ולעקוב אחר הביצועים בשירות שלהם. פלטפורמת בדיקות מעבדה בקנה המידה שהוצגה במסמך זה מסייעת לחקירה של ההשפעה של עומסים מכאניים במקביל ותנאים סביבתיים בחומרים אלה. הפלטפורמה נועדה להיות בעלות נמוכה וידידותי למשתמש. שלה חומרים כימיים עמידים להפוך את הפלטפורמה להתאמה ללימודי התפרקות כימית עקב חשיפה בשירות לנוזלים. דוגמא לניסוי נערכה ב RT על תאים סגורים פוליאוריטןדגימות קצף עמוסות במשקל המתאים ל~ 50% מעומס סטטי והיבש האולטימטיבי שלהם. תוצאות מראות כי מנגנון הבדיקה מתאים ללימודים אלה. תוצאות גם להדגיש את הפגיעות גדולות יותר של הפולימר תחת העמסה בו זמנית, המבוססות על התקות נקודת האמצע גבוהות והמון כישלון שייר נמוך יותר. המלצות עשויות לשיפורים נוספים למנגנון הבדיקה.
פולימרים ופולימר מחוזקים בסיבים מרוכבים (FRP) אומצו במגוון רחב של מבנים הנדסיים, החל ממטוסים וחלליים, כלי שיט, תשתיות אזרחיות, (ראה לביקורות דוגמאות של et al. 1, 2 Hollaway, אל Mouritz et Katnam . 3), מכוניות ורכבות, להבי טורבינות רוח, לתותבות וביו-חומרים לתפרים ושתלים. העמידות "חומרים אלה מושפעת מתרחישים מורכבים שירות, אשר עשוי לכלול שילוב של) טעינה תרמו-מכאני, למשל, להקפיא ההפשרה מחזורים בתשתיות האזרחיות 4, טיסה תת-קולית / קולית פרופילי 5, ללבוש בפוליאתילן מגובי מתכת 6) ; ב) השפלה בשל חומרים כימיים סביבתיים ו, למשל, מי ים, הפשרת קרח, נוזל הידראולי למבנים וחלל ימיים 7-10, השפלה של חומרים מרוכבים שיניים polymethylmethacrylate בשל רוק 11; ג) inte המורכבractions של חומרים במפרקים מהודקים או ערובה, למשל, גלווני קורוזיה וdebonding בין חומרים שונים, בין אם בתיקון תיקון פחמן / סיבים בעור אלומיניום מטוסים, או צלחת עצם פחמן / הצצה מהודקת על ידי נירוסטה 12.
למרבה הצער יש מוגבל בידע של ההשפעה של גירויים בשירות בו-זמנית על העמידות לטווח הארוך של חומרים אלה. רוב הפולימרים עשויים להיות מסווגים כחומר viscoelastic. עומסים מכאניים ותנאים סביבתיים משפיעים באופן משמעותי את תגובת viscoelastic של פולימרים. לפיכך, מודלים אמין עבור 'חומרים אלה התנהגות לטווח ארוך צריכים להיות מסוגלים לשלב תגובות תלויות זמן לhygrothermal שילוב, גירויים מכאניים, כימיים. זה בתורו ישפר את תחזיות עיצוב, בטיחות ופרוטוקולי תחזוקה / החלפה מבוססת מצב.
ישנו גוף ספרות גדול על בדיקות ניסיוניות על השפעות hygrothermal, לבדיקות דיפוזיה הדוגמא hygrothermal: אם בקנה מידה של הדגימות מאפשרת לה, דגימות חומר עשויות להיות ממוקמות בתא ברמות לחות והטמפרטורה רצויה. הדגימות יוסרו מעת לעת כדי למדוד המסה ו / או נפח שינוייהם לכמות נתונה של זמן, משבועות לשנים 10,13-17. מבחן hygrothermal יכול להיות מלווה בדיקות מכאניות, כלומר, כוח סטטי / עייפות שייר / בדיקות מכניקת שבר 17-19, שרק נותנת מידע על ההשפעה של גירוי hygrothermal על התגובות מכאניות של חומרים. נתוני בדיקה עשויים להיות מצוידים לדגמי דיפוזיה של משתנה מורכבות, מדיפוזיה Fickian פשוטה על דגמים הכוללים תלות בריכוז, מתח, טמפרטורה, הזדקנות / Plasticization הפיסית הפיכה ותגובות כימיות בלתי הפיכות. תפוקה ניסיונית זה עשויה להיות משולב נוסף בניתוחים מבניים.
מחברים מעטים התייחסו להשפעה של HY בו זמניתgrothermal וגירויים מכאניים. בין חומרים מרוכבים FRP מחקר אלה, נוימן וGarom 20 שקועים הדגישו ודגימות unstressed במים מזוקקים. מתח יושם על ידי מיקום הדגימות בתוך מעיינות נירוסטה דחוסות, כוונון העומס באמצעות stiffnesses האביב שונה והמון דחיסה. הליך דומה שדווח על ידי et al וואן. 21. Helbling ו -22 Karbhari מועסק מתקן כיפוף בתוך תא סביבתי לאחוזים שונים לחות היחסית (% לחות יחסית) ורמות הטמפרטורה. הדגימות הממוזגות מראש היו נתונים לרמת מתח כיפוף נתון, המקביל לשיעור של זן המתיחה האולטימטיבי סטטי לרוכב ה. Kasturiarachchi ופריצ'רד 23 מוכן לנענע נירוסטה 4 נקודות כיפוף (אחד לכל דגימה) שהוצב על מדף בתא ייבוש זכוכית גדול. הייבוש היה מלא באופן חלקי עם מים מזוקקים, היו דליפות קטנות כדי למנוע buildup של לחץ, והושם בתא לחות על 95% לחות יחסית. גלרט ו -7 טורלי חקרו דגימות מרוכבים FRP כיתה ימית לעמידות שלהם תחת העמסת זחילה משולבת ו -100% לחות יחסית. הדגימות שלהם הועמסו בכיפוף 4 נקודות בעומס קבוע השווה ל- 20% מכישלון העומס כפף סטטי, ואילו שקועים לחלוטין במי ים. סטיית השרץ נרכשה מעת לעת על ידי שימוש במד עובי בין פני השטח החיצוני של הקורה בחתך המרכזי, וצלחת זכוכית (הוא הסיק שמדידה זו בוצעה מחוץ לחדר). עבד אל-מגיד et al. 24 להציב דוגמאות של הזכוכית / אפוקסי במתקן סביבתי Invar שסופק על ידי נאס"א לנגלי, כדגימות הועמסו במתח לאורך כיוון הסיבים, ב 20% מהעומס הצירי האולטימטיבי. Ellyin וRohrbarcher 25 רצו בדיקות hygrothermal לעד 140 ימים, ולאחר מכן בדקו את הדגימות בעייפות על מכונת בדיקה הידראולית. הדגימהים היו עטוף בבד גבינה רטובה מחוברים לצינור ואספקת מים. ארל et al. 26 מיקום מתקן טעינתם והדגימות בתא גדול סביבתי (5.5 מ '3).
כפי שנאמר ברבים מחקרי ניסויים, התנאים הסביבתיים משפיעים על תכונות מכאניות של הפולימרים ותגובות. כמה ניסויים מוגבלים גם להראות כי קיומו של מתח / לחץ מכאני משפיע על תהליך דיפוזיה בפולימרים. לפיכך, כדי לשפר את ההבנה על הביצועים הכוללים של חומרים מבוססים-פולימר תחת השפעת שני מכאנית ולא מכאנית, יש צורך בבדיקה בו-זמנית.
היו כמה מטרות מאחורי העיצוב של פלטפורמת הבדיקות שנדונה במאמר זה. ראשית, הפלטפורמה היא חלק מהגדרת הניסוי בחקירה רב-שנתית על hygrothermo-מכאני התנהגות סוגים שונים של חומרים מרוכבים כריך FRP של לטורבינת רוחיישומי הנדסה ימיים nd. נתוני הבדיקה משמשים לכיול הפרמטרים במשוואות המכוננות viscoelastic לרוכבי פולימרים. המודלים המכוננים מבוססים על העבודה שפותחה במשך השנים על ידי Muliana ומשתפי פעולה 27-30. המטרה השנייה הייתה לי בעלות נמוכה ופלטפורמת בדיקות ידידותית למשתמש, למשל אחד שיכול להיות בקלות עברה במעבדה (למשל, לקנה מידה למדידת מסה, או למקור של הנוזל, למשל, אחד הקרובה מברז, fumehood או קבינט דליק). המטרה השלישית הייתה ליצור פלטפורמה לבדיקה כי הוא עמיד למספר הכימיקלים הנפוץ בשירות (במיוחד נוזל הידראולי, הפשרת הקרח, בחומרי ניקוי ממסים עבור יישומי התעופה 8-10), ובכך דגימות יכולות להיות שקועה בכימיקלים כגון, ו העמידות שלהם יכולה להיות מוערכת.
התא (איור 1) נבנה עם polyethyle בצפיפות גבוההne, שבו יש עמידות כימית גבוהה. כפי שצוין לעיל, צפוי כי עבודה בעתיד תכלול חקירת hygrothermo-המכני של חומרים מרוכבים שקועים בנוזל הידראולי, נגד התקרחות, בחומרי ניקוי ממסים. מאז רגולציה תרמית היא היבט בלתי נפרד מבדיקה, קצף פוליסטירן היה להתאים סביב דפנות המכל ומאובטח במקום על ידי קלטת ומסגרת הפלדה עצמו, כדי למנוע החלפת חום עם הסביבה.
המכסה של התא (איור 2) יוצרה מפוליקרבונט השקוף, 9.525 מ"מ בעובי, המאפשרת למשתמשים לצפות בדגימות במהלך בדיקה מבלי להפריע המבחן. המכסה מאובטח במקום על ידי T-ברים אלומיניום, שהיו במכונה כדי להחליק מתחת תלויים בסוגריים על דפנות המכל.
כיפוף בדגימות נחקק על ידי שלושה בלוקים אלומיניום, אשר תולים למטה מהמכסה, ומהודקים באמצעות חריצים במכסה. שלושה בלוקים מאפשרים עד ארבע specimens להיבדק בפעם אחת, ואילו חריצי המכסה לאפשר מרווח הבלוק להיות מותאם בהתאם לאורכו של הדגימות. כל בלוק מעוגל בקצה המגעים לקוטר 12.7 מ"מ, בדבקות בD790-10 תקן ASTM. הדגימות ממוקמות מתחת שתיים משלושת בלוקים, עם כוח כלפי מעלה מיושם במרכזו כדי לגרום לכיפוף (איורים 1-2).
המנגנון נועד עם מקסימום צדדיות וקלות של שימוש בחשבון. גלגלים עם 41.275 מ"מ קוטר מהודקים מתחת לתא למטרות ניידות. מעליהם, הטנק נתמך על ידי מסגרת פלדה מרותכת עם תחתית רשת תיל וקורות צולבות לתמיכה. מפרידי מניית זווית לטנק הפינות מחוץ יוצרו כדי לשמור על הבידוד מלהימחץ על ידי מודד המשקל ועקירה מעל (מנגנון סיר מחרוזת, נדונו בהמשך). סביב החלק העליון, מניית הזווית שימשה שוב למסגור. מערכות גלגלת ופוטנציומטר מחרוזת measuמחדש סטיית אמצע טווח-הם רכובים על ארבע פלדה, קשתות מרובעות צינורות (איור 3). מרכז שתי קשתות מתוך ארבעה אלה נושאים את פוטנציומטר המחרוזת וניתנות להתאמה לחשבון צדדיות דגימה. פוטנציומטר המחרוזת נבנה באמצעות קפיץ torsional (ניתן למצוא כמו בשרוכים נשלפים מפתח) ופוטנציומטרים עם פלטים אלקטרוניים שלושת פינים. הגלגלות מיושרות ורכובות לשימוש עם כבל פלדה פועל מחיבור נוקשה על ידי הדגימה למוט תלייה על הצד של החדר ליישום משקל להתאמה.
העומס מוחל על הדגימה באמצעות סדרה של כבלים, גלגלות, קשרים וברגים. ראשית, הדגימה מועבר לU-הבורג כך שבר הצלב 10 מ"מ הפנייה אמצע הטווח. מוט פלדה בקוטר 9.525 מ"מ עם ברגי עין בכל קצה לאחר מכן מחובר לU-הבריח. חיבור פלדה זה עובר דרך את המכסה של התא. כבל פלדה ולא Kevlarhread מחובר ללולאה בהפך U-הבריח. הדבר זה מאפשר לחוט Kevlar מפוטנציומטר המחרוזת לקרוא את הנתונים מנקודה נוקשה. כבל הפלדה ממשיך כלפי מעלה ועובר מעל שתי גלגלות המאפשרות את העומס שיש להחיל בפריפריה של הטנק. הכבל מחובר אז מוט פלדה בקוטר 9.525 מ"מ המשמש כקולב משקל מחוררת. קולב זה מספק מקום שבו ניתן להגדיר את המשקולות מחוררות כדי להחיל את העומס הרצוי.
מהנתונים שנרכשו, ניתן לראות כי תרחיש הבדיקה במקביל לא משפיע על העמידות של דגימות קצף פוליאוריטן הסגור תא. ניתן לראות זאת על ידי השוואת ההתקות שונות באופן משמעותי (איור 5) והמון שייר לכישלון (איור 6) של דגימות יבשות ורטובות. איור 7 מראה תמונות ?…
The authors have nothing to disclose.
המחברים מודים גורל גרסיה, סרינה פרארו, אריק Quiroz וסטיבן קרן (מעבדה מרוכבים מחקר מתקדם, הנדסה ומדע) על עזרת בעיצוב וייצור התקנת הבדיקה. שון מאלון, מייקל Akahori, דוד Kehlet (מעבדת ייצור הנדסה), מקבל הכרה לקבלת ההצעות והסיוע בתהליך העיבוד שלהם. התמיכה של הקרן הלאומית למדע (מענק שיתופי CMMI-1,265,691 ותוספת REU) והמשרד מחקר של צי (N00014-13-1-0604 לא Muliana, טקסס & M אוניברסיטה (חוקר ראשי), וV. La Saponara , המנוהל על ידי מנהל תכנית Yapa ראג'אפקסה) זוכים להערכה בהכרת תודה.
Name of Material/ | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Equipment | |||
Aluminum 6061 rectangular bars | McMaster-Carr, USA | 8975K268, 1668T72, 7062T17, | Part of testing platform |
Aluminum 6061 90 deg. angles | McMaster-Carr, USA | 8982K91, 8982K14 | Part of testing platform |
440C stainless steel | McMaster-Carr, USA | 6253K52 | Part of testing platform |
High-density polyethylene sheets | Tap Plastics, USA | N/A (0.236 in. thick x 10.75 in. wide x 16.75 in. long) | Part of testing platform |
High-density polyethylene sheets | Tap Plastics, USA | N/A (0.354 in. thick x 6 in. wide x 10 in. long) | Part of testing platform |
High-density polyethylene sheets | Tap Plastics, USA | N/A (0.354 in. thick x 6 in. wide x 16.75 in. long) | Part of testing platform |
Polycarbonate sheets | Tap Plastics, USA | N/A (0.375 in thick, 11.5 in. wide, 17.5 in long) | Part of testing platform |
Expanded polystyrene foam | Home Depot | Model # 310880 Internet # 202532855 | Part of testing platform |
Galvanized steel rope | McMaster-Carr, USA | 3498T63 | Part of testing platform |
Steel eye bolt | McMaster-Carr, USA | 3013T341 | Part of testing platform |
Low-carbon steel 90 deg. angle | McMaster-Carr, USA | 9017K444 | Part of testing platform |
Low-carbon steel rods | McMaster-Carr, USA | 8920K84, 8920K75, 8920K231, 8920K135, 8920K84 | Part of testing platform |
Low-carbon steel tubes | McMaster-Carr, USA | 6527K314, 8910K394, 8910K395, 8920K94 | Part of testing platform |
304 stainless steel U-bolt | McMaster-Carr, USA | 8896T104 | Part of testing platform |
Steel pulley | McMaster-Carr, USA | 3099T34 | Part of testing platform |
1008 carbon steel sheets | McMaster-Carr, USA | 9302T113 | Part of testing platform |
Light duty swivel casters | Harbor Freight, USA | 41519 | Part of testing platform |
100-lbf Vinyl Weight Set | Overstock.com | 11767059 | Part of testing platform |
Closed-cell polyurethane foam | General Plastics, USA | FR-3704 | Testing samples |
Deionized water | Faucet, PurLab filtering system | N/A | Conditioning fluid of tank |
Torsional spring | Retractable Key Clip, Ebay, USA | Lot 10 | Used to build string potentiometer |
Kevlar thread | Cabela’s | IK-321909 | Used to build string potentiometer |
10 kOhm potentiometer | Ebay, USA | 3590S-2-103L | Used to build string potentiometer |
Digital multimeter | Harbor Freight, USA | 98674 | Used to take resistance measurements of string potentiometer |