JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Ergebnisse
Discussion
Offenlegungen
Acknowledgements
Materials
Referenzen
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ingenieurwesen

Mechanoluminescente visualisatie van scheurvoortplanting voor gezamenlijke evaluatie

Published: January 06, 2023
doi:
10.3791/64118
,
1Sensing System Research Center (SSRC),National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

Summary

In deze studie wordt een protocol gepresenteerd dat het gebruik van mechanoluminescent (ML) visualisatie beschrijft voor het monitoren van scheurvoortplanting en mechanisch gedrag tijdens het testen van lijmvoegevaluatie.

Abstract

In deze studie worden methoden voor de mechanoluminescente (ML) visualisatie van scheurvoortplanting en mechanisch gedrag om lijmverbindingen te evalueren gedemonstreerd en uitgelegd. De eerste stap betrof de monstervoorbereiding; een luchtspray werd gebruikt om ML-verf op het oppervlak van de kleefvoegmonsters aan te brengen. De prestaties van de ML-sensor werden beschreven om de meetomstandigheden te onderzoeken. De resultaten van ML-detectie tijdens een dcb-test (double cantilever beam) en een lap-shear (LS)-test worden gedemonstreerd, aangezien dit de meest gebruikte en meest gebruikte methoden zijn voor het evalueren van lijmen. Oorspronkelijk was het moeilijk om de scheurpunt en de spanningsverdeling en -concentratie direct te kwantificeren omdat de scheurpunt te klein was en de effecten van de spanning niet konden worden waargenomen. De mechanoluminescentie, scheurvoortplanting en mechanisch gedrag tijdens mechanische tests kunnen worden gevisualiseerd via het ML-patroon tijdens de lijmevaluatie. Dit zorgt voor de herkenning van de precieze positie van de scheurpunten en ander mechanisch gedrag met betrekking tot structurele storingen.

Introduction

Mechanoluminescent (ML) sensing materialen zijn functionele keramische poeders die herhaaldelijk intens licht uitzenden onder mechanische stimuli. Dit fenomeen wordt zelfs waargenomen binnen gebieden van elastische vervorming 1,2,3,4. Wanneer ze op het oppervlak van een structuur worden verspreid, functioneren individuele ML-deeltjes als gevoelige mechanische sensoren en weerspiegelt het tweedimensionale (2D) ML-patroon de dynamische rekverdeling. Het ML-emissiepatroon presenteert een mechanische simulatie van de rekverdeling 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 (figuur 1A).

Zoals te zien is in figuur 1B, zijn ML-sensoren toegepast om tweedimensionaal (2D) en driedimensionaal (3D) dynamisch mechanisch gedrag in elastische, plastic en vernietigingsprocessen te visualiseren met behulp van coupontestmonsters bestaande uit recente geavanceerde lichtgewicht structurele materialen (bijv. Staal met hoge treksterkte 5,6, aluminium, koolstofvezelversterkte kunststof [CFRP]7), de kleefverbinding voor schadetolerantieontwerp 8, 9,10,11, en productcomponenten (bijv. tandwiel- en flexibele elektronicabestand voor opvouwbare telefoons12, en gecompliceerde lijm- en/of lasverbindingen die worden gebruikt voor het valideren van computerondersteunde engineering [CAE] resultaten in testen op laboratoriumniveau 2,8,9,10,11 ). Bovendien zijn ML-sensoren met succes gebruikt in praktische toepassingen, zoals de structurele gezondheidsmonitoring (SHM) van gebouwen en bruggen voor het detecteren van scheurvoortplanting of de kans op een spanningsconcentratie die leidt tot structurele degradatie 2,6,13, de monitoring van de binnenste scheurvoortplanting in interlaminaire lagen 7,9, de voorspelling van de levensduur van hogedrukwaterstofvaten 9, impacttests van mobiliteit voor het visualiseren van de verspreiding of excitatie van de impactgolf in trillingsmodus14, en visuele detectie van sporthulpmiddelen om de juiste fysieke instellingen te bepalen om de kansen om te winnen te vergroten. In het protocol werd ML-visualisatie geselecteerd voor het monitoren van scheurvoortplanting en de daaropvolgende veranderingen in mechanisch gedrag tijdens het testen van de evaluatie van lijmverbindingen.

Er zijn verschillende redenen om dit thema te selecteren. De eerste reden is de aanzienlijke toename van het belang van lijmverbindingen in de afgelopen jaren. Onlangs, als gevolg van de behoefte aan aanzienlijke CO2-reductie en energiebesparing, zijn verschillende soorten lichtgewicht materialen ontwikkeld en toegepast in de mobiliteits- en transportindustrie, zoals voor auto’s, vliegtuigen en treinen. Als onderdeel van deze trend heeft lijmtechnologie aan belang gewonnen als een sleuteltechnologie voor het vrij verbinden van verschillende lichtgewicht materialen (ongelijksoortige materiaalverbindingen) in een multi-materiaalstrategie15. Bovendien is de ML-visualisatiemethode voor het bepalen van de kleefkracht, vooral in ongelijksoortige materialen, voorgesteld door verschillende internationale normen 16,17,18,19,20. De evaluatie van de kleefkracht is in wezen destructief onderzoek en de verkregen kleefkracht kan voornamelijk in twee typen worden ingedeeld: (1) breukhardheidsenergie (Gc), die wordt bepaald met behulp van de positie van scheurvoortplanting tijdens de belastingstoepassing, en (2) kleefkracht, die wordt bepaald met behulp van de belasting bij het scheuren van de kleefverbinding. Hoewel de double cantilever beam (DCB) test en single lap-shear (LS) test representatieve evaluatiemethoden zijn van respectievelijk breukhardheid en kleefkracht, en de meest gebruikte lijmtestmethoden wereldwijd vertegenwoordigen 15,16,17,18,19,20 , is de scheurpunt te klein om de spannings-/spanningsverdeling te onderscheiden. Vandaar dat de waarde van de fractuurhardheidsenergie (Gc) sterk verstrooid is. Als gevolg van aanbevelingen van onderzoekers die lijmen en andere personen in de industrie onderzoeken, is mechanoluminescent (ML) visualisatie onderzocht voor het monitoren van scheurvoortplanting en de daaropvolgende veranderingen in mechanisch gedrag tijdens het testen van lijmverbindingen 8,9,10,11,21 . De tweede reden om dit thema in dit protocol te selecteren, is dat spanning / spanning sterk geconcentreerd is aan de scheurpunt, wat intense mechanoluminescentie genereert op het ML-punt tijdens scheurvoortplanting, en dit is mogelijk de meest gebruiksvriendelijke methodologie onder verschillende ML-testtoepassingen. Bovendien kan deze methode worden gebruikt zonder geavanceerde ervaring in monstervoorbereiding en zeer efficiënte ML-materialen.

Daarom wordt in deze studie het protocol van ML-visualisatie uitgelegd voor het monitoren van scheurvoortplanting en de daaropvolgende veranderingen in het mechanische gedrag tijdens het testen van de kleefvoegevaluatie, zoals weergegeven in figuur 2.

Protocol

De huidige studie werd uitgevoerd met behulp van DCB-monsters. DCB is een standaard testmonster dat vaak wordt gebruikt voor het bestuderen van scheurgroei en breukmechanica 16,17,18. 1. Voorbereiding van het analysemonster Voer oppervlaktevoorbehandeling uit voordat de ML-verf wordt aangebracht (zie materiaaltabel). Veeg het oppervlak van het testmonster (waarop de gebruiker de ML-verf wil spuiten) af met een oplosmiddel zoals isopropylalcohol (IPA) of ethanol voor oppervlakteontvetting. Bereid de ML-verf voor en breng deze aan volgens de onderstaande stappen.Weeg 20 g van het belangrijkste epoxyreagens voor de ML-verf (zie de materiaaltabel), inclusief SrAl2O4:Eu2+ ML-materiaal, en 3,1 g van het uithardingsreagens, en meng deze met een organisch oplosmiddel zoals tolueen en ethylacetaat in een maatbeker om een viscositeit van 100 mPa·s te verkrijgen. Breng de ML-verf aan op het oppervlak van het DCB-monster door te spuiten met een luchtspuit of spuitbus (figuur 3). Droog het monster geleidelijk een nacht bij kamertemperatuur.OPMERKING: De ML-verf werd bereid door ML- en polymeerharsen te mengen. ML-materialen 1,2,3,4 en polymeermaterialen kunnen worden gebruikt in tegenstelling tot commerciële ML-verven. Het protocol in deze studie wordt echter beschreven met behulp van commerciële ML-verf of spuitbussen (zoals weergegeven in figuur 3) om goede prestaties te garanderen. Hoewel de inhoud van het ML-materiaal afhankelijk is van de efficiëntie, werd 25 wt% of meer dan 50 wt% van het ML-materiaal geselecteerd als de inhoudssnelheid in de ML-verf22. De viscositeit beschreven in stap 1.2.1 werd geëvalueerd met behulp van een viscometer 8,9 (zie de tabel met materialen). Na de behandeling het monster uitharden door de ML-verf die gedurende 1 uur bij 80 °C op het monster is gespoten, te verhitten.OPMERKING: De omstandigheden van de nabehandeling moeten binnen het bereik liggen van omstandigheden die geschikt zijn voor het uitharden van de hars van de ML-verf en die geen invloed hebben op het proefstuk en de hechtingsprestaties. Voer een kwaliteitsbevestiging uit.Controleer of de gespoten ML-verf ongeveer uniform is op het oppervlak. Zorg voor een dikte van ongeveer 50-100 μm met behulp van een microscoop of laagdiktemeter8 (figuur 4).OPMERKING: Lage dikte is geschikt om belastingsverdeling in het ML epoxyreagens te voorkomen. De uniformiteit van de gespoten ML-verf is noodzakelijk voor het gebruik van ML-visualisatie voor lijmtests, omdat intense mechanoluminescentie kan worden waargenomen aan de scheurpunt vanwege de hoge spanningsconcentratie. Daarom wordt de gespoten ML-verf uitgedrukt als zijnde “ruwweg uniform” in stap 1.4.1. 2. ML-meting voor de DCB-test Voer voor de experimentele opstelling voor de ML-meting de volgende stappen uit.Monteer het met ML verf gespoten monster op de mechanische testmachine met behulp van een speciale zig (zie de materiaaltabel) voor de DCB-test 16,17,18, zoals weergegeven in figuur 5A.OPMERKING: De DCB-testmonsters moeten voldoen aan de internationale normen voor DCB-tests 16,17,18. Plaats camera’s (een CCD, charge-coupled device of een CMOS, complementaire metaaloxide halfgeleider; zie de materiaaltabel) voor elk oppervlak van het testmonster, zodat ze naar de positie van de te bewaken scheurpunt gericht zijn 8,9,10,11,12 (figuur 5B ). Controleer de cameracondities om er zeker van te zijn dat deze de afterglow (AG) kan opnemen tijdens de geschatte meettijd van de mechanische tests.OPMERKING: Hoewel een vierwegcamerasysteem niet verplicht is voor alle richtingen van het monster, is het aantal camera’s afhankelijk van het gezicht van het exemplaar waarop de gebruiker zich wil concentreren en opnemen. Voer ML-observatie uit in de DCB-test.Stel de omgeving in om donkere omstandigheden te garanderen. Stel de opnamevoorwaarden van de camera in: opnamesnelheid = 1 of 2 frames per seconde (fps); blootstellingstijd = 0,5 s of 1 s; en gain = maximaal. Bestraal het ML-met verf bespoten DCB-monster met 470 nm blauw licht voor excitatie met behulp van een blauwe LED (zie de tabel met materialen) vanuit elke camerarichting gedurende 1 minuut. Start de camera-opname 5 s voordat u de blauwlichtbestraling voltooit. Wacht in de donkere toestand gedurende 1 minuut om ervoor te zorgen dat de nagloed tot rust komt.OPMERKING: De rusttijd kan worden gewijzigd op basis van het type ML-detectiemateriaal en de camera, vooral met betrekking tot de balans van de mechanoluminescentie en nagloeiintensiteiten in de opgenomen films. Breng een mechanische belastingvan 16,17,18 aan met behulp van een mechanische testmachine met een laadsnelheid van 1 mm/min om het ML-beeld te verkrijgen (figuur 5C en film 1). Bereken de scheurlengte (a) met behulp van de informatie over de scheurpuntpositie, die wordt bepaald vanaf het ML-punt tijdens scheurvoortplanting in het ML-met verf gespoten monster (ziefilm 1), om de breukhardheid, G1c (kJ/m2), waarde te verkrijgen met behulp van vergelijking 1 8,9,16,17,18.OPMERKING: (Vergelijking 1)waarbij 2H de dikte (mm) van het DCB-monster aangeeft, B de breedte van het monster aangeeft, λ de naleving van de scheuropeningsverplaatsing (COD) aangeeft (mm/N), Pc de belasting (N) en α1 de helling van (a/2H) en (B/λ)1/3 aanduidt. 3. ML-meting voor de lap-shear (LS)-test Voor de experimentele opstelling voor de ML-metingen monteert u het LS-monster met ML-verf op een mechanische testmachine19,20, zoals weergegeven in figuur 6A. Plaats camera’s (een CCD- of CMOS-camera) voor elk oppervlak van het testmonster, zodat ze naar de positie van de te bewaken scheurpunt zijn gericht (figuur 6A).OPMERKING: De LS-testmonsters moeten voldoen aan de internationale normen voor de LS-test19,20. In het geval van ongelijksoortige materiaalverbindingen zullen verschillende spanningsverdelingen verschijnen op elk van de vier oppervlakken van de LS-monsters. Daarom wordt een vierwegcamerasysteem of ten minste een tweewegcamerasysteem aanbevolen voor gebruik op elk van de vier oppervlakken, zoals weergegeven in figuur 6A, om twee oppervlakken met elke camera vast te leggen in een hoek van 45° ten opzichte van elk oppervlak. Voer de ML-waarneming uit in de lap-shear (LS)-test.Zorg voor donkere omstandigheden. Stel de opnamevoorwaarden van de camera in: opnamesnelheid = 10-50 fps; blootstellingstijd = 0,02 s of 0,1 s; gain = maximaal. Bestraal het ML-met verf bespoten DCB-monster met 470 nm blauw licht voor excitatie met behulp van een blauwe LED uit elke camerarichting gedurende 1 minuut. Start de camera-opname 5 s voordat u de blauwlichtbestraling voltooit. Wacht in de donkere toestand gedurende 30 s tot de afterglow tot rust is gekomen.OPMERKING: De rusttijd kan worden gewijzigd op basis van het ml-sensormateriaal en de gebruikte camera, vooral met betrekking tot de balans van de mechanoluminescentie- en nagloeiintensiteiten in de opgenomen films. Breng een mechanische belastingvan 19,20 aan met behulp van een mechanische testmachine met een laadsnelheid van 1-5 mm/min om de ML-beelden te verkrijgen (figuur 6B en film 2). 4. Informatie voor de ML-meting en gegevensanalyse Voer excitatie uit vóór de ML-test.Hoewel de ML-intensiteit evenredig is met de spanningsenergie, neemt de ML-intensiteit geleidelijk af volgens de belastingscycli 2,3,6,12, zoals weergegeven in figuur 7A. Voer daarom excitatie uit vóór de ML-test om reproduceerbare ML-resultaten te genereren, zoals vermeld in stap 2.2.3 en stap 3.2.3. Kies de wachttijd voor een hoge ML/AG-ratio.OPMERKING: De ML-sensor toont de nagloed (AG) na excitatie als een lange persistent fosfor en toont de mechanoluminescentie op het moment van de belastingstoepassing, zoals weergegeven in figuur 7B.Selecteer de wachttijd na excitatie en de cameraomstandigheden om ervoor te zorgen dat de verhouding ML/AG (de zogenaamde ML-index) voldoende hoog is (zoals vermeld in stap 2.2.4 en stap 3.2.4) omdat de nagloed fungeert als basisruis tegen het ML-patroon (d.w.z. het meetsignaal)2,3,4. Bepaal het hoogste ML-punt.Bepaal de positie van de scheurpunt door de positie met het hoogste ML-punt te herkennen als de scheurpunt 8,9.OPMERKING: Het hoogste ML-punt kan worden bepaald via visuele inspectie, beeldverwerkingssoftware, een automatisch bewakingssysteem en een ML-film, zoals weergegeven in aanvullende figuur 1. Maak een ML-contourafbeelding.Als de ML-punten en -patronen moeilijk te onderscheiden zijn, maak dan een ML-contourafbeelding en gebruik ML-patronen door de ML RAW-afbeeldingen te converteren met behulp van beeldverwerkingssoftware, zoals ImageJ (zie de tabel met materialen), zoals weergegeven in figuur 8.

Representative Results

ML-beelden en films tijdens de DCB- en LS-test werden verzameld met respectievelijk tweeweg- en vierwegcamera’s. Figuur 5C toont de ML-afbeeldingen en films in het zijaanzicht, die kunnen worden gebruikt om de scheurpunt te herkennen. Bovendien wordt het bovenaanzicht weergegeven om het faalfront weer te geven tijdens de scheurvoortplantingstijd tijdens de DCB-test. In dit geval waren de hechtingen gezandstraald aluminium (A5052, zie de tabel met materialen), de lijm was samengesteld uit twee componenten van epoxylijm en de geometrie voldeed aan internationale normen. Met betrekking tot het ML-gedrag in het zijaanzicht werd intense mechanoluminescentie waargenomen op de positie van de initiële scheur als gevolg van de spanningsconcentratie op dit punt. Vervolgens werd beweging van het ML-punt, dat de scheurpunt reflecteert, waargenomen op de kleeflaag tijdens de scheurvoortplantingstijd. Met behulp van ML-beelden in de DCB-test werd de positie van de scheurpunt tijdens scheurvoortplanting gedefinieerd en gebruikt om de scheurvoortplantingslengte (a) en de bijbehorende breukhardheid, G1c, waarde te berekenen, zoals uitgelegd in stap 2.2.7. Figuur 6B toont de ML-contourbeelden en -films tijdens de LS-test. De beelden en films zijn opgenomen met behulp van een vierwegcamerasysteem. In dit geval waren de hechtingen gezandstraald aluminium (A5052) en de lijm was een tweecomponenten epoxylijm. Figuur 6B geeft duidelijk informatie over het mechanische gedrag tijdens het vernietigingsproces van de lijmverbinding met één schoot. Kortom, intense mechanoluminescentie werd voor het eerst waargenomen aan de randen van de zelfklevende en gelapte gebieden. Ten tweede verplaatsten de ML-punten zich van de kleefranden naar het midden langs de kleeflaag om samen te verschijnen in de linker- en rechterweergave van de ML-afbeelding. Ten slotte, na het combineren van de twee ML-punten in het midden, werd intense mechanoluminescentie waargenomen op het middelpunt in de kleeflaag. ML-beelden in de LS-test kunnen worden gebruikt om het mechanische gedrag van kleefverbindingen tijdens het vernietigingsproces te begrijpen, dat moeilijk te simuleren is. Figuur 1: Eigenschappen van de ML-sensor. (A) Mechanoluminescentie onder trekbelasting voor een roestvrijstalen plaat met een gat en numerieke analyse (simulatie) van de Mises-rekverdeling. (B) Voorbeelden van ML visuele detectie om het dynamische 2D / 3D mechanische gedrag van producten, structurele materialen en 3D-printmaterialen te visualiseren onder de toepassing van mechanische belasting, trillingen en impact. De pijlen met een “F” geven de richting van de kracht onder mechanische belasting aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 2: ML visual sensing voor verschillende internationaal gestandaardiseerde lijmevaluatietests. Deze normen beschrijven de methoden om verschillende indexen van kleefkracht te verkrijgen, zoals breukhardheidsenergie (Gc), trekschuifsterkte (TSS), schilsterkte en dwarsspanningssterkte (CTS). De pijlen geven de richting van de kracht onder mechanische belasting aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 3: Ml-sensorverf aanbrengen. (A) Voorbeelden van ML-verf en spuitbussen en (B) een foto van spuiten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 4: Illustratie van met ML met verf bespoten monsters. (A) Een DCB-monster en (B) een LS-monster. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 5: ML-meting tijdens de DCB-test. (A) Foto van de experimentele opstelling en (B) illustratie van de cameraposities. C) ML-meting tijdens de DCB-test. CAM 1 en CAM 2 geven de CCD-camera aan die wordt beschreven in stap 2.1.2. De pijlen geven de richting van de kracht onder mechanische belasting aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 6: ML-meting tijdens de LS-test. (A) De experimentele opstelling en (B) ML-meting tijdens de LS-test met behulp van een vierwegcamerasysteem. De pijlen geven de richting van de kracht onder mechanische belasting aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 7: Basiseigenschappen van de gebruikte ML-sensor. (A) De ML-intensiteit over belastingscycli en (B) de relatie tussen de ML- en AG-intensiteiten en wachttijd na excitatie met behulp van een blauwe LED. De inzet illustreert de definitie van de ML- en AG-intensiteiten in de tijd-luminantiecurve. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Afbeelding 8: Vergelijking van ML-expressie in de ML-afbeeldingen. (A) De onbewerkte afbeelding in 12-bits grijswaarden en (B) de contourafbeelding. De pijlen met “F” geven de richting van de kracht onder mechanische belasting aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Film 1: ML-film tijdens de DCB-test. Opnamesnelheid: 1 fps. Klik hier om deze film te downloaden. Film 2: ML-film tijdens de LS-test. Opnamesnelheid: 25 fps. Klik hier om deze film te downloaden. Aanvullende figuur 1: Methoden om de positie van het punt met de hoogste ML-intensiteit te onderscheiden. (A) Visuele inspectie, (B) beeldverwerkingssoftware en (C) automatisch monitoringsysteem. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

In termen van het ML-gedrag dat vanuit het zijaanzicht werd waargenomen, werd intense mechanoluminescentie als gevolg van de spanningsconcentratie geregistreerd aan de punt van de initiële scheur (figuur 5C). Vervolgens werd beweging van het ML-punt waargenomen langs de kleeflaag op het snijvoortplantingstijdstip, wat de scheurpunt weerspiegelt. In eerdere studies toonden microscopische waarnemingen aan dat het hoogste ML-punt slechts 0-20 μm vóór de scheurpunt lag en kon worden aangenomen als referentie voor de scheurpuntpositie8. In de conventionele methode wordt de scheurpunt geïdentificeerd via visuele inspectie, maar dit leidt tot een aanzienlijke hoeveelheid menselijke fouten vanwege de kleine omvang van de scheurpunt, zelfs bij gebruik van een vergrootglas. In het bijzonder is geduld vereist om de positie van de scheurpunt te markeren tijdens de DCB-test, die op zijn beurt enkele minuten vereist, met name voor structurele lijmverbindingen 16,17,18. Daarom is ML-visualisatie in de DCB-test belangrijk om de positie van de scheurpunt automatisch en met hogere precisie te identificeren. Eerder werd aangetoond dat de positie en vorm van de ML-lijn op het bovenaanzicht synchroniseren met de scheurstoringsfrontlinie in de kleeflaag9. Daarom werd ML-detectie in het bovenaanzicht van de hechting gebruikt als een indicator van de binnenste scheuren van het buitenoppervlak van de hechting.

De beperkingen van deze methode omvatten echter de donkere testomgeving en de afname van de ML- en AG-intensiteit tijdens de DCB-test gedurende enkele minuten, zoals weergegeven in figuur 7B. Dit leidt tot een onduidelijk ML-punt en AG-patroon, die respectievelijk de scheurpunt en de monstergeometrie weerspiegelen. Om deze beperking te overwinnen, werd infrarood licht, zoals licht op een golflengte van 850 nm dat geen invloed heeft op SrAl2O4:Eu2+ ML-materiaal, gebruikt om het DCB-monster te bestralen tijdens de DCB-test om de toestand van het monster9 te verduidelijken. Als alternatief wordt blauw licht bij 470 nm gebruikt om het monster gedurende 1 s elke 5 min of 10 minuten te verlichten om de ML- en AG-intensiteiten te herstellen, zelfs tijdens de DCB-test 2,9, zoals uitgelegd in figuur 7A.

ML-contourbeelden en -films tijdens de LS-test werden opgenomen met behulp van een vierwegcamerasysteem (figuur 6C). In dit geval waren de hechtingen gezandstraald aluminium (A5052) en de lijm was een tweecomponenten epoxylijm. De treksterkte (TSS) was 23 MPa, die werd berekend aan de hand van de belastingswaarde (N) bij breuk onder trekbelasting en het lijmoppervlak (mm2). Bovendien kan de TSS-waarde worden beschouwd als een indicator van de sterkte van een structurele lijmverbinding18. Hoewel de TSS-waarde meestal wordt gebruikt als een index van kleefkracht, werden de fysieke achtergrondeigenschappen, zoals mechanisch gedrag, die cruciaal zijn voor het verbeteren van het gewrichtsontwerp, niet onderzocht.

De ML-beelden gaven duidelijk informatie over het mechanische gedrag tijdens het vernietigingsproces van de lijmverbinding met één ronde (figuur 6C). Kortom, intense mechanoluminescentie werd voor het eerst waargenomen aan de rand van het kleef- en gelapte gebied, wat de spanningsconcentratie in het vroege stadium van de LS-test laat zien. Ten tweede verplaatsten de ML-punten zich van beide kleefranden naar het midden langs de kleeflaag om samen te verschijnen in de linker- en rechterweergave van de ML-afbeeldingen. Dit duidt op afschuifspanning en scheurvoortplanting langs de kleeflaag, wat in dit geval wijst op cohesief falen (CF).

Bovendien gaven de ML-lijnen in de voor- en achterkant het optreden van scheurvoortplanting aan, wat hetzelfde fenomeen is als in de DCB-test. Ten slotte, nadat de twee ML-punten in het midden waren gecombineerd, werd intense mechanoluminescentie waargenomen op het middelpunt in de kleeflaag. Dit gaf de spanningsconcentratie in de kleeflaag aan en de daaropvolgende generatie van een dwarsscheur over de kleeflaag, vergelijkbaar met in een eerder werk11. Deze informatie is nuttig om de locatie van de spannings-/spanningsconcentratie te bepalen. Daarom impliceert het dat verbetering van de spanningsverdeling nodig is om een sterk en betrouwbaar gewrichtsontwerp te bereiken.

In tegenstelling tot de DCB-test veroorzaakt de LS-test de snelle breuk van lijmverbindingen. De LS-test genereert een hoge reksnelheid in de kleeflaag, die wordt gevolgd door zeer intense mechanoluminescentie die verzadigt in het opgenomen ML-beeld, veel gebeurtenissen in één afbeelding verzamelt en een onduidelijk ML-beeld produceert. In deze gevallen kan een slimme keuze van de opnamesnelheid worden gebruikt voor het oplossen van problemen (bijvoorbeeld het selecteren van een hoge opnamesnelheid, zoals 25 fps, die past bij de snelheid van de gebeurtenis in de LS-test)11.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit onderzoek werd ondersteund door een baanbrekend project in opdracht van de New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) en het Research and Development Program for Promoting Innovative Clean Energy Technologies through International Collaboration (JPNP20005) in opdracht van NEDO. N. T. is Shimadzu Co. dankbaar voor het leveren van de automatische monitoringsoftware voor het onderscheiden van de punten van de hoogste ML-intensiteit in aanvullende figuur 1. N. T. is mevrouw Y. Nogami en mevrouw H. Kawahara dankbaar voor het spuiten van de ML-verf voor ML-tests. Daarnaast is N. T. mevrouw Y. Kato, mevrouw M. Iseki, mevrouw Y. Sugawa, mevrouw C. Hirakawa, mevrouw Y. Sakamoto en mevrouw S. Sano dankbaar voor het assisteren bij de ML-metingen en -analyse in het 4D-visuele detectieteam (AIST).

Materials

Aluminum plate Engineering Test Service Co.,Ltd. A5052  A5052 is defined name as quality of aluminum in standards.
Blue LED MORITEX Co. MBRL-CB13015
Camera Baumer TXG04 or VLU-12 CCD or CMOS
Coating thickness gauge  KETT LZ-373
Epoxy adhesive Nagase ChemteX Co. Denatite2202 structual adehsive
ImageJ National Institutes of Health Image J 1.53K Image processing software
Mechanical testing machine  SHIMADZU Co. EZ Test EZ-LX
Mechanoluminescnet (ML) paint Sakai Chemical Industry Co. Ltd. ML-F2ET3 The ML paint in 1.1  is 2 components epoxy paint , and consisting of epoxy main reagent and curing reagent as described in 1.2.1.  SrAl2O4:Eu2+ ML ceramic perticle is including in main epoxy reagent.
Microscope keyence VHX-6000
Stainless steel  plate Engineering Test Service Co.,Ltd. SUS631 A631 is defined name as quality of stainless steel in standards.
Viscometer Sekonic. Co. Viscomate VM-10A
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referenzen

  1. Xu, C. -. N., Watanabe, T., Akiyama, M., Zheng, X. -. G. Direct view of stress distribution in solid by mechanoluminescence. Applied Physics Letters. 74 (17), 2414-2417 (1999).
  2. Xu, C. -. N., Ueno, N., Terasaki, N., Yamada, H. Mechanoluminescence and Novel Structural Health Diagnosis. NTS Inc. , (2012).
  3. Terasaki, N. Innovative first step toward mechanoluminescent ubiquitous light source for trillion sensors. Sensors and Materials. 28 (8), 827-836 (2016).
  4. Feng, A., Smet, P. F. A review of mechanoluminescence in inorganic solids: Compounds, mechanisms, models and applications. Materials. 11 (4), 484 (2018).
  5. Terasaki, N., Xu, C. -. N. Mechanoluminescence recording device integrated with photosensitive material and europium-doped SrAl2O4. Japanese Journal of Applied Physics. 48, (2009).
  6. Terasaki, N., Xu, C. -. N. Historical-log recording system for crack opening and growth based on mechanoluminescent flexible sensor. IEEE Sensors Journal. 13 (10), 3999-4004 (2013).
  7. Terasaki, N., Fujio, Y., Sakata, Y. Visualization of strain distribution and portent of destruction in structural material through mechanoluminescence. 35th International Committee on Aeronautical Fatigue and Structural Integrity (ICAF) Conference and 29th ICAF Symposium (ICAF. 75, 1961-1967 (2017).
  8. Terasaki, N., Fujio, Y., Sakata, Y., Horiuchi, S., Akiyama, H. Visualization of crack propagation for assisting double cantilever beam test through mechanoluminescence). The Journal of Adhesion. 94 (11), 867-879 (2018).
  9. Terasaki, N., Fujio, Y., Horiuchi, S., Akiyama, H. Mechanoluminescent studies of failure line on double cantilever beam (DCB) and tapered-DCB (TDCB) test with similar and dissimilar material joints. International Journal of Adhesion and Adhesives. 93, 40-46 (2019).
  10. Terasaki, N., Fujio, Y., Horiuchi, S., Akiyama, H., Itabashi, M. Mechanoluminescent study for optimization of joint design on cross tension test. The Journal of Adhesion. 98 (6), 637-646 (2022).
  11. Terasaki, N., Fujio, Y., Sakata, Y., Uehara, M., Tabaru, T. Direct visualization of stress distribution related to adhesive through mechanoluminescence. ECS Transactions. 75 (45), 9-16 (2017).
  12. Terasaki, N., Ando, N., Hyodo, K. Mechanoluminescence visual inspection of micro-crack generation through fatigue process in flexible electronics film. Japanese Journal of Applied Physics. 61, (2022).
  13. Terasaki, N., Xu, C. -. N., Yasuda, K., Ichinose, L. Fatigue crack detection of steel truss bridge by using mechanoluminescent sensor. Proceedings of Sixth International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management (IABMAS). 6, 2542-2549 (2012).
  14. Fujio, Y., et al. Sheet sensor using SrAl2O4: Eu mechanoluminescent material for visualizing inner crack of high-pressure hydrogen vessel). International Journal of Hydrogen Energy. 41 (2), 1333-1340 (2015).
  15. Da Silva, L. F. M., Öchsner, A., Adams, R. . Handbook of Adhesion Technology., 2nd edition. , (2018).
  16. International Organization for Standardization. ISO 22838:2020. Composites and reinforcements fibres – Determination of the fracture energy of bonded plates of carbon fibre reinforced plastics (CFRPs) and metal using double cantilever beam specimens. International Organization for Standardization. , (2020).
  17. International Organization for Standardization. ISO 25217:2009. Adhesives – Determination of the mode 1 adhesive fracture energy of structural adhesive joints using double cantilever beam and tapered double cantilever beam specimens. International Organization for Standardization. , (2009).
  18. International Organization for Standardization. ISO 15024:2001. Fibre-reinforced plastic composites – Determination of mode I interlaminar fracture toughness, GIC, for unidirectionally reinforced materials. International Organization for Standardization. , (2001).
  19. International Organization for Standardization. ISO 4587:2003. Adhesives-Determination of tensile lap-shear strength of rigid-to-rigid bonded assemblies. International Organization for Standardization. , (2003).
  20. International Organization for Standardization. ISO 22841:2021. Composites and reinforcements fibres-Carbon fibre reinforced plastics(CFRPs) and metal assemblies-Determination of the tensile lap-shear strength. International Organization for Standardization. , (2021).
  21. International Organization for Standardization. ISO/CD 8065. Composites and reinforcements fibres – Mechanoluminescent visualization method of crack propagation for joint evaluation. International Organization for Standardization. , (2022).
  22. Azad, A. I., Rahimi, M. R., Yun, G. J. Quantitative full-field strain measurements by SAOED (SrAl2O4:Eu2+,Dy3+) mechanoluminescent materials. Smart Material Structure. 25 (9), 095032 (2016).

Tags

MechanoluminescentCrack PropagationJoint EvaluationVisualizationDCB TestLap-shear TestStructural Health MonitoringFracture Toughness

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Diesen Artikel zitieren
Terasaki, N., Fujio, Y. Mechanoluminescent Visualization of Crack Propagation for Joint Evaluation. J. Vis. Exp. (191), e64118, doi:10.3791/64118 (2023).
Zitat herunterladen
Nachdrucke und Berechtigungen

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image