JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Divulgaciones
Acknowledgements
Materials
Referencias
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ingeniería

التصور الميكانيكي لانتشار الكراك لتقييم المفاصل

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

Summary

في هذه الدراسة ، تم تقديم بروتوكول يصف استخدام التصور الميكانيكي (ML) لمراقبة انتشار الكراك والسلوك الميكانيكي أثناء اختبار تقييم المفصل اللاصق.

Abstract

في هذه الدراسة ، تم شرح وشرح طرق التصور الميكانيكي (ML) لانتشار الشقوق والسلوك الميكانيكي لتقييم الوصلات اللاصقة. تضمنت الخطوة الأولى إعداد العينة. تم استخدام رذاذ الهواء لتطبيق طلاء ML على سطح عينات المفصل اللاصق. تم وصف أداء مستشعر ML لفحص ظروف القياس. يتم عرض نتائج استشعار ML أثناء اختبار شعاع الكابولي المزدوج (DCB) واختبار القص (LS) لأن هذه هي الطرق الأكثر استخداما والأكثر استخداما لتقييم المواد اللاصقة. في الأصل ، كان من الصعب تحديد طرف الكراك وتوزيع الإجهاد / الإجهاد وتركيزه بشكل مباشر لأن طرف الكراك كان صغيرا جدا ، ولم يكن من الممكن ملاحظة آثار الإجهاد. يمكن تصور التلألؤ الميكانيكي وانتشار الشقوق والسلوك الميكانيكي أثناء الاختبار الميكانيكي عبر نمط ML أثناء تقييم المادة اللاصقة. هذا يسمح بالتعرف على الموضع الدقيق لأطراف الكراك والسلوكيات الميكانيكية الأخرى المتعلقة بالفشل الهيكلي.

Introduction

مواد الاستشعار الميكانيكية (ML) هي مساحيق سيراميك وظيفية تنبعث منها ضوء شديد بشكل متكرر تحت المحفزات الميكانيكية. لوحظت هذه الظاهرة حتى داخل مناطق التشوه المرن1،2،3،4. عند تشتيتها على سطح الهيكل ، تعمل جزيئات ML الفردية كمستشعرات ميكانيكية حساسة ، ويعكس نمط ML ثنائي الأبعاد (2D) توزيع الإجهاد الديناميكي. يقدم نمط انبعاث ML محاكاة ميكانيكية لتوزيع السلالة2،3،4،5،6،7،8،9،10،11،12 (الشكل 1A).

كما هو موضح في الشكل 1B ، تم تطبيق مستشعرات ML لتصور السلوكيات الميكانيكية الديناميكية ثنائية الأبعاد (2D) وثلاثية الأبعاد (3D) في عمليات المرونة والبلاستيك والتدمير باستخدام عينات اختبار القسيمة التي تتكون من مواد هيكلية خفيفة الوزن متقدمة حديثة (على سبيل المثال ، فولاذ عالي القوة 5,6 ، ألومنيوم ، بلاستيك مقوى بألياف الكربون [CFRP] 7) ، المفصل اللاصق لتصميم تحمل الضرر8 ، 9،10،11 ، ومكونات المنتج (على سبيل المثال ، ملف التروس والإلكترونيات المرنة للهواتف القابلة للطي 12 ، ووصلات لاصقة و / أو لحام معقدة تستخدم للتحقق من صحة نتائج الهندسة بمساعدة الكمبيوتر [CAE] في اختبار على مستوى المختبر2،8،9،10،11 ). بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام مستشعرات ML بنجاح في التطبيقات العملية ، مثل مراقبة الصحة الهيكلية (SHM) للمباني والجسور للكشف عن انتشار الكراك أو احتمال تركيز الإجهاد الذي يؤدي إلى تدهور هيكلي2،6،13 ، ومراقبة انتشار الكراك الداخلي في الطبقات بين الصفائحية7،9 ، والتنبؤ بعمر أوعية الهيدروجين عالية الضغط 9 ، اختبارات تأثير التنقل لتصور انتشار موجة التأثير أو الإثارة في وضع الاهتزاز14 ، والاستشعار البصري للأدوات الرياضية لتحديد الإعدادات المادية المناسبة لزيادة فرص الفوز. في البروتوكول ، تم اختيار تصور ML لمراقبة انتشار الكراك والتغييرات اللاحقة في السلوك الميكانيكي أثناء اختبار تقييم المفصل اللاصق.

هناك عدة أسباب لاختيار هذا الموضوع. السبب الأول هو الزيادة الكبيرة في أهمية المفاصل اللاصقة في السنوات الأخيرة. في الآونة الأخيرة ، نظرا للحاجة إلى تقليل CO2 بشكل كبير وتوفير الطاقة ، تم تطوير أنواع مختلفة من المواد خفيفة الوزن وتطبيقها في صناعات التنقل والنقل ، مثل السيارات والطائرات والقطارات. كجزء من هذا الاتجاه ، اكتسبت تقنية المواد اللاصقة أهمية كتقنية رئيسية للانضمام بحرية إلى مواد خفيفة الوزن مختلفة (وصلات مواد مختلفة) في استراتيجية متعددة المواد15. علاوة على ذلك ، تم اقتراح طريقة تصور ML لتحديد قوة اللصق ، خاصة في المواد غير المتشابهة ، من خلال معايير دولية مختلفة16،17،18،19،20. تقييم قوة اللصق هو في الأساس اختبار مدمر ، ويمكن تصنيف قوة اللصق التي تم الحصول عليها بشكل أساسي إلى نوعين: (1) طاقة صلابة الكسر (Gc) ، والتي يتم تحديدها باستخدام موضع انتشار الكراك أثناء تطبيق الحمل ، و (2) قوة اللصق ، والتي يتم تحديدها باستخدام الحمل عند تمزق المفصل اللاصق. على الرغم من أن اختبار شعاع الكابولي المزدوج (DCB) واختبار القص أحادي اللفة (LS) هما طريقتان تمثيليتان لتقييم صلابة الكسر وقوة اللصق ، على التوالي ، ويمثلان طرق اختبار المواد اللاصقة الأكثر استخداما في جميع أنحاء العالم15،16،17،18،19،20 ، يكون طرف الكراك صغيرا جدا بحيث لا يميز توزيع الإجهاد / الإجهاد. وبالتالي ، فإن قيمة طاقة صلابة الكسر (Gc) مبعثرة للغاية. نتيجة لتوصيات الباحثين الذين يفحصون المواد اللاصقة والأفراد الآخرين في الصناعة ، تم التحقيق في تصور اللمعان الميكانيكي (ML) لمراقبة انتشار الكراك والتغييرات اللاحقة في السلوك الميكانيكي أثناء اختبار تقييم المفصل اللاصق8،9،10،11،21 . السبب الثاني لاختيار هذا الموضوع في هذا البروتوكول هو أن الإجهاد / الإجهاد يتركز بشكل كبير عند طرف الكراك ، مما يولد تلألؤا ميكانيكيا مكثفا عند نقطة ML أثناء انتشار الكراك ، ومن المحتمل أن تكون هذه هي المنهجية الأكثر سهولة في الاستخدام بين تطبيقات اختبار ML المختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام هذه الطريقة دون خبرة متقدمة في تحضير العينات ومواد ML عالية الكفاءة.

لذلك ، في هذه الدراسة ، تم شرح بروتوكول تصور ML لمراقبة انتشار الكراك والتغييرات اللاحقة في السلوك الميكانيكي أثناء اختبار تقييم المفصل اللاصق ، كما هو موضح في الشكل 2.

Protocol

أجريت الدراسة الحالية باستخدام عينات DCB. DCB هي عينة اختبار قياسية تستخدم غالبا لدراسة نمو الكراك وميكانيكا الكسر16،17،18. 1. تحضير عينة الاختبار قم بإجراء المعالجة المسبقة للسطح قبل تطبيق طلاء ML (انظر جدول المواد). امسح سطح عينة الاختبار (الذي يريد المستخدم رش طلاء ML عليه) بمذيب مثل كحول الأيزوبروبيل (IPA) أو الإيثانول لإزالة الشحوم السطحية. قم بإعداد وتطبيق طلاء ML باتباع الخطوات أدناه.قم بوزن 20 جم من كاشف الإيبوكسي الرئيسي لطلاء ML (انظر جدول المواد) ، بما في ذلك مادة SrAl2O4: Eu2+ ML ، و 3.1 جم من كاشف المعالجة ، واخلطها مع مذيب عضوي مثل التولوين وخلات الإيثيل في كوب قياس للحصول على لزوجة تبلغ 100 mPa·s. ضع طلاء ML على سطح عينة DCB عن طريق الرش باستخدام رذاذ الهواء أو علبة الرش (الشكل 3). تجفيف العينة تدريجيا بين عشية وضحاها في درجة حرارة الغرفة.ملاحظة: تم تحضير طلاء ML عن طريق خلط ML وراتنجات البوليمر. يمكن استخدام مواد ML1،2،3،4 ومواد البوليمر بدلا من دهانات ML التجارية. ومع ذلك ، تم وصف البروتوكول في هذه الدراسة باستخدام طلاء ML التجاري أو علب الرش (كما هو موضح في الشكل 3) لضمان الأداء الجيد. على الرغم من أن معدل محتوى مادة ML يعتمد على الكفاءة ، فقد تم تحديد 25٪ بالوزن أو أكثر من 50٪ بالوزن من مادة ML كمعدل المحتوى في طلاء ML22. تم تقييم اللزوجة الموصوفة في الخطوة 1.2.1 باستخدام مقياس اللزوجة 8,9 (انظر جدول المواد). بعد المعالجة ، قم بمعالجة العينة عن طريق تسخين طلاء ML الذي تم رشه على العينة عند 80 درجة مئوية لمدة 1 ساعة.ملاحظة: يجب أن تكون شروط المعالجة اللاحقة ضمن نطاق الشروط المناسبة لمعالجة راتنج طلاء ML والتي لا تؤثر على قطعة الاختبار وأداء الترابط. إجراء تأكيد الجودة.تأكد من أن طلاء ML الذي تم رشه موحد تقريبا على السطح. تأكد من سمك حوالي 50-100 ميكرومتر باستخدام المجهر أو مقياس سمك الطلاء8 (الشكل 4).ملاحظة: السماكة المنخفضة مناسبة لمنع توزيع الحمل في كاشف الايبوكسي ML. يعد توحيد طلاء ML الذي تم رشه ضروريا لاستخدام تصور ML لاختبار المواد اللاصقة لأنه يمكن ملاحظة التلألؤ الميكانيكي المكثف عند طرف الكراك بسبب تركيز الضغط العالي. لذلك ، يتم التعبير عن طلاء ML الذي تم رشه على أنه “موحد تقريبا” في الخطوة 1.4.1. 2. قياس ML لاختبار DCB للإعداد التجريبي لقياس ML، قم بتنفيذ الخطوات التالية.قم بتركيب عينة ML التي تم رشها بالطلاء على آلة الاختبار الميكانيكية باستخدام متعرج خاص (انظر جدول المواد) لاختبار DCB16،17،18 ، كما هو موضح في الشكل 5A.ملاحظة: يجب أن تتوافق عينات اختبار DCB مع المعايير الدولية لاختبارات DCB16،17،18. ضع الكاميرات (CCD ، جهاز مقترن بالشحن ، أو CMOS ، أشباه موصلات أكسيد المعادن التكميلية ؛ انظر جدول المواد) أمام كل سطح من عينة الاختبار بحيث تواجه موضع طرف الكراك المراد مراقبته8،9،10،11،12 (الشكل 5 ب ). تحقق من ظروف الكاميرا للتأكد من قدرتها على تسجيل إضاءة الشفق (AG) أثناء وقت القياس المقدر للاختبار الميكانيكي.ملاحظة: على الرغم من أن نظام الكاميرا رباعي الاتجاهات ليس إلزاميا لجميع اتجاهات العينة ، إلا أن عدد الكاميرات يعتمد على وجه العينة التي يريد المستخدم التركيز عليها وتسجيلها. إجراء مراقبة ML في اختبار DCB.اضبط المناطق المحيطة لضمان الظروف المظلمة. اضبط شروط تسجيل الكاميرا: معدل التسجيل = 1 أو 2 إطار في الثانية (fps) ؛ وقت التعرض = 0.5 ثانية أو 1 ثانية ؛ وكسب = الحد الأقصى. قم بتشعيع عينة DCB التي تم رشها بالطلاء ML بضوء أزرق 470 نانومتر للإثارة باستخدام مؤشر LED أزرق (انظر جدول المواد) من كل اتجاه للكاميرا لمدة 1 دقيقة. ابدأ الكاميرا بتسجيل 5 ثوان قبل الانتهاء من تشعيع الضوء الأزرق. انتظر في حالة مظلمة لمدة 1 دقيقة للتأكد من استقرار الشفق.ملاحظة: يمكن تغيير وقت الاستقرار وفقا لنوع مادة استشعار ML والكاميرا ، خاصة فيما يتعلق بتوازن شدة التلألؤ الميكانيكي وشدة الشفق في الأفلام المسجلة. قم بتطبيق حمل ميكانيكي16،17،18 باستخدام آلة اختبار ميكانيكية بمعدل تحميل 1 مم / دقيقة للحصول على صورة ML (الشكل 5C والفيلم 1). احسب طول الشق (أ) باستخدام المعلومات الموجودة على موضع طرف الشقوق ، والتي يتم تحديدها من نقطة ML أثناء انتشار الشقوق في عينة ML التي تم رشها بالطلاء (الفيلم 1) ، للحصول على صلابة الكسر ، G1c (kJ / m2) ، القيمة باستخدام المعادلة 18،9،16،17،18.ملاحظة: (المعادلة 1)حيث يشير 2 H إلى سمك (مم) عينة DCB ، ويشير B إلى عرض العينة ، ويشير λ إلى الامتثال لإزاحة فتح الكراك (COD) (mm / N) ، ويشير Pc إلى الحمل (N) ، ويشير α 1 إلى ميل (a / 2H) و (B / λ) 1/3. 3. قياس ML لاختبار القص (LS) للإعداد التجريبي لقياسات ML ، قم بتركيب عينة LS التي تم رشها بالطلاء ML على آلة اختبار ميكانيكية19,20 ، كما هو موضح في الشكل 6A. ضع الكاميرات (كاميرا CCD أو CMOS) أمام كل سطح من عينة الاختبار بحيث تواجه موضع طرف الكراك المراد مراقبته (الشكل 6 أ).ملاحظة: يجب أن تتوافق عينات اختبار LS مع المعايير الدولية لاختبار LS19,20. في حالة وجود مفاصل مواد غير متشابهة ، ستظهر توزيعات إجهاد مختلفة على كل من الأسطح الأربعة لعينات LS. وبالتالي ، يوصى باستخدام نظام كاميرا رباعي الاتجاهات أو على الأقل نظام كاميرا ثنائي الاتجاه على كل من الأسطح الأربعة ، كما هو موضح في الشكل 6A ، لالتقاط سطحين مع كل كاميرا بزاوية 45 درجة لكل سطح. قم بإجراء مراقبة ML في اختبار القص (LS).الحفاظ على الظروف المظلمة. اضبط شروط تسجيل الكاميرا: معدل التسجيل = 10-50 إطارا في الثانية ؛ وقت التعرض = 0.02 ثانية أو 0.1 ثانية ؛ كسب = الحد الأقصى. قم بتشعيع عينة DCB التي تم رشها بالطلاء ML بضوء أزرق 470 نانومتر للإثارة باستخدام LED أزرق من كل اتجاه للكاميرا لمدة 1 دقيقة. ابدأ الكاميرا بتسجيل 5 ثوان قبل الانتهاء من تشعيع الضوء الأزرق. انتظر في حالة مظلمة لمدة 30 ثانية حتى يستقر الشفق.ملاحظة: يمكن تغيير وقت الاستقرار وفقا لمواد استشعار ML والكاميرا المستخدمة ، خاصة فيما يتعلق بتوازن شدة التلألؤ الميكانيكي وشدة الشفق في الأفلام المسجلة. قم بتطبيق حمل ميكانيكي19,20 باستخدام آلة اختبار ميكانيكية بمعدل تحميل 1-5 مم / دقيقة للحصول على صور ML (الشكل 6B والفيلم 2). 4. معلومات لقياس ML وتحليل البيانات أداء الإثارة قبل اختبار ML.على الرغم من أن شدة ML تتناسب مع طاقة الإجهاد ، إلا أن كثافة ML تنخفض تدريجيا وفقا لدورات الحمل2،3،6،12 ، كما هو موضح في الشكل 7A. لذلك ، قم بإجراء الإثارة قبل اختبار ML لإنشاء نتائج ML قابلة للتكرار ، كما هو مذكور في الخطوة 2.2.3 والخطوة 3.2.3. اختر وقت الانتظار للحصول على نسبة ML / AG عالية.ملاحظة: يظهر مستشعر ML توهج الشفق (AG) بعد الإثارة كفوسفور طويل مستمر ويظهر التلألؤ الميكانيكي في لحظة تطبيق الحمل ، كما هو موضح في الشكل 7B.حدد وقت الانتظار بعد الإثارة وظروف الكاميرا للتأكد من أن نسبة ML / AG (ما يسمى مؤشر ML) عالية بما فيه الكفاية (كما هو مذكور في الخطوة 2.2.4 والخطوة 3.2.4) لأن الشفق يعمل كضوضاء أساسية مقابل نمط ML (أي إشارة القياس)2،3،4. تحديد أعلى نقطة ML.حدد موضع طرف الكراك من خلال التعرف على الموضع بأعلى نقطة ML مثل طرف الكراك 8,9.ملاحظة: يمكن تحديد أعلى نقطة ML عن طريق الفحص البصري ، وبرنامج معالجة الصور ، ونظام المراقبة التلقائية ، وفيلم ML ، كما هو موضح في الشكل التكميلي 1. إنشاء صورة كفاف ML.إذا كان من الصعب تمييز نقاط وأنماط ML ، فقم بإنشاء صورة كفاف ML واستخدم أنماط ML عن طريق تحويل الصور الأولية ML باستخدام برنامج معالجة الصور ، مثل ImageJ (انظر جدول المواد) ، كما هو موضح في الشكل 8.

Representative Results

تم جمع صور وأفلام ML أثناء اختبار DCB و LS باستخدام كاميرات ثنائية الاتجاه ورباعية الاتجاهات ، على التوالي. يوضح الشكل 5C صور وأفلام ML في المنظر الجانبي ، والتي يمكن استخدامها للتعرف على طرف الكراك. علاوة على ذلك ، يظهر العرض العلوي ليعكس جبهة الفشل في وقت انتشار الكراك أثناء اختبار DCB. في هذه الحالة ، كانت المواد اللاصقة عبارة عن ألومنيوم منفجر بالرمل (A5052 ، انظر جدول المواد) ، وكانت المادة اللاصقة تتكون من مكونين من مادة لاصقة إيبوكسي ، وامتثلت الهندسة للمعايير الدولية. فيما يتعلق بسلوكيات ML في المنظر الجانبي ، لوحظ تلألؤ ميكانيكي مكثف في موضع الكراك الأولي بسبب تركيز الإجهاد في هذه المرحلة. بعد ذلك ، لوحظت حركة نقطة ML ، التي تعكس طرف الكراك ، على الطبقة اللاصقة في وقت انتشار الكراك. باستخدام صور ML في اختبار DCB ، تم تحديد موضع طرف الكراك أثناء انتشار الكراك واستخدامه لحساب طول انتشار الكراك (a) وصلابة الكسر المرتبطة ، G1c ، القيمة ، كما هو موضح في الخطوة 2.2.7. يوضح الشكل 6B صور وأفلام كفاف ML أثناء اختبار LS. تم تسجيل الصور والأفلام باستخدام نظام كاميرا رباعي الاتجاهات. في هذه الحالة ، كانت المواد اللاصقة عبارة عن ألومنيوم منفجر بالرمل (A5052) ، وكانت المادة اللاصقة عبارة عن مادة لاصقة إيبوكسي مكونة من عنصرين. يوفر الشكل 6B بوضوح معلومات عن السلوك الميكانيكي أثناء عملية تدمير المفصل اللاصق أحادي اللفة. باختصار ، لوحظ تلألؤ ميكانيكي مكثف لأول مرة عند حواف المناطق المرتبطة باللفائف واللف. ثانيا ، انتقلت نقاط ML من الحواف اللاصقة إلى المركز على طول الطبقة اللاصقة لتظهر معا في العرضين الأيسر والأيمن لصورة ML. أخيرا ، بعد الجمع بين نقطتي ML في المركز ، لوحظ تلألؤ ميكانيكي مكثف عند نقطة المركز في الطبقة اللاصقة. يمكن استخدام صور ML في اختبار LS لفهم السلوك الميكانيكي للمفاصل اللاصقة أثناء عملية التدمير ، والتي يصعب محاكاتها. الشكل 1: خصائص مستشعر ML . (أ) التلألؤ الميكانيكي تحت حمل الشد للوحة الفولاذ المقاوم للصدأ مع ثقب والتحليل العددي (المحاكاة) لتوزيع سلالة Mises. (ب) أمثلة على الاستشعار البصري ML لتصور السلوك الميكانيكي الديناميكي 2D / 3D للمنتجات والمواد الهيكلية ومواد الطباعة ثلاثية الأبعاد تحت تطبيق الحمل الميكانيكي والاهتزاز والتأثير. تشير الأسهم ذات الحرف “F” إلى اتجاه القوة تحت الحمل الميكانيكي. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل. الشكل 2: الاستشعار البصري ML لمختلف اختبارات تقييم المواد اللاصقة الموحدة دوليا. تصف هذه المعايير طرق الحصول على مؤشرات مختلفة لقوة اللصق ، مثل طاقة صلابة الكسر (Gc) ، وقوة قص الشد (TSS) ، وقوة التقشير ، وقوة التوتر المتقاطع (CTS). تشير الأسهم إلى اتجاه القوة تحت الحمل الميكانيكي. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل. الشكل 3: تطبيق طلاء مستشعر ML . (أ) أمثلة على الطلاء ML وعلب الرش و (ب) صورة فوتوغرافية للرش. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل. الشكل 4: رسم توضيحي لعينات ML التي تم رشها بالطلاء . (أ) عينة DCB و (ب) عينة LS. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل. الشكل 5: قياس ML أثناء اختبار DCB . (أ) صورة فوتوغرافية للإعداد التجريبي و (ب) رسم توضيحي لمواضع الكاميرا. (ج) قياس ML أثناء اختبار DCB. يشير CAM 1 و CAM 2 إلى كاميرا CCD الموضحة في الخطوة 2.1.2. تشير الأسهم إلى اتجاه القوة تحت الحمل الميكانيكي. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل. الشكل 6: قياس التعلم الآلي أثناء اختبار LS. (أ) الإعداد التجريبي و (ب) قياس التعلم الآلي أثناء اختبار التعلم الآلي باستخدام نظام كاميرا رباعي الاتجاهات. تشير الأسهم إلى اتجاه القوة تحت الحمل الميكانيكي. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل. الشكل 7: الخصائص الأساسية لمستشعر ML المستخدم . (أ) كثافة ML عبر دورات الحمل و (ب) العلاقة بين شدة ML و AG ووقت الانتظار بعد الإثارة باستخدام مؤشر LED أزرق. يوضح الجزء الداخلي تعريف شدة ML و AG في منحنى الإضاءة الزمنية. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل. الشكل 8: مقارنة تعبير ML في صور ML . (أ) الصورة الأولية بتدرج رمادي 12 بت و (ب) الصورة الكنتورية. تشير الأسهم ذات الحرف “F” إلى اتجاه القوة تحت الحمل الميكانيكي. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل. الفيلم 1: فيلم ML أثناء اختبار DCB. معدل التسجيل: 1 إطارا في الثانية. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الفيلم. الفيلم 2: فيلم ML أثناء اختبار LS. معدل التسجيل: 25 إطارا في الثانية. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الفيلم. الشكل التكميلي 1: طرق التمييز بين موضع النقطة ذات أعلى كثافة ML. (أ) الفحص البصري ، (ب) برنامج معالجة الصور ، و (ج) نظام المراقبة التلقائي. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

Discussion

من حيث سلوك ML الذي لوحظ من المنظر الجانبي ، تم تسجيل تلألؤ ميكانيكي مكثف ناشئ عن تركيز الإجهاد عند طرف الكراك الأولي (الشكل 5C). بعد ذلك ، لوحظت حركة نقطة ML على طول الطبقة اللاصقة في وقت انتشار الكراك ، مما يعكس طرف الكراك. في الدراسات السابقة ، أظهرت الملاحظات المجهرية أن أعلى نقطة ML كانت فقط 0-20 ميكرومتر قبل طرف الكراك ويمكن اعتمادها كمرجع لموضع طرف الكراك8. في الطريقة التقليدية ، يتم تحديد طرف الكراك عن طريق الفحص البصري ، ولكن هذا يؤدي إلى قدر كبير من الخطأ البشري بسبب صغر حجم طرف الكراك ، حتى عند استخدام عدسة مكبرة. على وجه التحديد ، يلزم الصبر لتحديد موضع طرف الكراك أثناء اختبار DCB ، والذي بدوره يتطلب عدة دقائق ، خاصة للمفاصل اللاصقة الهيكلية16،17،18. لذلك ، يعد تصور ML في اختبار DCB مهما لتحديد موضع طرف الكراك تلقائيا وبدقة أعلى. في السابق ، تم عرض موضع وشكل خط ML في العرض العلوي للمزامنة مع الخط الأمامي لفشل الكراك في الطبقة اللاصقة9. لذلك ، تم استخدام استشعار ML في المنظر العلوي للالتصاق كمؤشر على الشقوق الداخلية من السطح الخارجي للالتصاق.

ومع ذلك ، فإن قيود هذه الطريقة تشمل بيئة الاختبار المظلمة وانخفاض شدة ML و AG أثناء اختبار DCB على مدى عدة دقائق ، كما هو موضح في الشكل 7B. هذا يؤدي إلى نقطة ML غير واضحة ونمط AG ، والتي تعكس طرف الكراك وهندسة العينة ، على التوالي. للتغلب على هذا القيد ، تم استخدام ضوء الأشعة تحت الحمراء ، مثل الضوء بطول موجي يبلغ 850 نانومتر لا يؤثر على مادة SrAl2O4: Eu2+ ML ، لتشعيع عينة DCB أثناء اختبار DCB لتوضيح حالة العينة9. بدلا من ذلك ، يستخدم الضوء الأزرق عند 470 نانومتر لإضاءة العينة لمدة 1 ثانية كل 5 دقائق أو 10 دقائق لاستعادة شدة ML و AG حتى أثناء اختبار DCB 2,9 ، كما هو موضح في الشكل 7A.

تم تسجيل صور وأفلام كفاف ML أثناء اختبار LS باستخدام نظام كاميرا رباعي الاتجاهات (الشكل 6C). في هذه الحالة ، كانت المواد اللاصقة عبارة عن ألومنيوم منفجر بالرمل (A5052) ، وكانت المادة اللاصقة عبارة عن مادة لاصقة إيبوكسي مكونة من عنصرين. كانت قيمة مقاومة القص الشد (TSS) 23 ميجا باسكال ، والتي تم حسابها باستخدام قيمة الحمل (N) عند التمزق تحت حمل الشد ومنطقة اللصق اللاصقة (مم2). علاوة على ذلك ، يمكن اعتبار قيمة TSS مؤشرا على قوة المفصل اللاصق الهيكلي18. على الرغم من أن قيمة TSS تستخدم عادة كمؤشر لقوة اللصق ، إلا أن الخصائص الفيزيائية للخلفية ، مثل السلوك الميكانيكي ، والتي تعتبر حاسمة لتحسين تصميم المفصل ، لم يتم التحقيق فيها.

قدمت صور ML بوضوح معلومات عن السلوك الميكانيكي أثناء عملية تدمير المفصل اللاصق أحادي اللفة (الشكل 6C). باختصار ، لوحظ تلألؤ ميكانيكي مكثف لأول مرة على حافة المنطقة المرتبطة باللفائف واللفائف ، مما يدل على تركيز الإجهاد في المرحلة المبكرة من اختبار LS. ثانيا ، انتقلت نقاط ML من كلا الحواف اللاصقة إلى المركز على طول الطبقة اللاصقة لتظهر معا في العرضين الأيسر والأيمن لصور ML. يشير هذا إلى إجهاد القص وانتشار الشقوق على طول الطبقة اللاصقة ، مما يدل على فشل التماسك (CF) في هذه الحالة.

بالإضافة إلى ذلك ، أشارت خطوط ML في المنظرين الأمامي والخلفي إلى حدوث انتشار الكراك ، وهي نفس الظاهرة كما في اختبار DCB. أخيرا ، بعد دمج نقطتي ML في المركز ، لوحظ تلألؤ ميكانيكي مكثف عند نقطة المركز في الطبقة اللاصقة. يشير هذا إلى تركيز الإجهاد في الطبقة اللاصقة والتوليد اللاحق لصدع عرضي عبر الطبقة اللاصقة ، على غرار العمل السابق11. هذه المعلومات مفيدة لتحديد موقع تركيز الإجهاد / الإجهاد. وبالتالي ، فإنه يعني أن التحسين في تشتت الإجهاد مطلوب لتحقيق تصميم مفصل قوي وموثوق.

على عكس اختبار DCB ، يتسبب اختبار LS في تمزق المفاصل اللاصقة بسرعة عالية. يولد اختبار LS معدل إجهاد مرتفع في الطبقة اللاصقة ، والذي يتبعه تلألؤ ميكانيكي مكثف للغاية يشبع في صورة ML المسجلة ، ويتراكم العديد من الأحداث في صورة واحدة ، وينتج صورة ML غير واضحة. في هذه الحالات، يمكن استخدام الاختيار الذكي لمعدل التسجيل لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها (على سبيل المثال، تحديد معدل تسجيل مرتفع، مثل 25 إطارا في الثانية، والذي يناسب سرعة الحدث في اختبار LS)11.

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

تم دعم هذا البحث من خلال مشروع رائد بتكليف من منظمة تطوير الطاقة الجديدة والتكنولوجيا الصناعية (NEDO) وبرنامج البحث والتطوير لتعزيز تقنيات الطاقة النظيفة المبتكرة من خلال التعاون الدولي (JPNP20005) بتكليف من NEDO. N. T. ممتن لشركة Shimadzu لتوفيرها برنامج المراقبة التلقائية لتمييز النقاط ذات أعلى كثافة ML في الشكل التكميلي 1. N. T. ممتن للسيدة Y. Nogami والسيدة H. Kawahara لرش طلاء ML لاختبار ML. بالإضافة إلى ذلك ، فإن N. T. ممتن للسيدة Y. Kato والسيدة M. Iseki والسيدة Y. Sugawa والسيدة C. Hirakawa والسيدة Y. Sakamoto والسيدة S. Sano للمساعدة في قياسات ML وتحليلها في فريق الاستشعار البصري 4D (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

Referencias

  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
Citar este artículo
Terasaki, N., Fujio, Y. Mechanoluminescent Visualization of Crack Propagation for Joint Evaluation. J. Vis. Exp. (191), e64118, doi:10.3791/64118 (2023).
Descargar cita
Reimpresiones y permisos

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image