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.
متانة البوليمرات والمواد المركبة البوليمر المقوى بالألياف تحت شرط الخدمة هي جانب أساسي إلى معالجة لتصاميمهم قوية وصيانة القائم على الشرط. وتعتمد هذه المواد في مجموعة واسعة من التطبيقات الهندسية، من هياكل الطائرات والسفن والجسور، شفرات توربينات الرياح، المواد الحيوية ويزرع الطبية الحيوية. البوليمرات هي المواد اللزجة، وربما تكون استجابتها غير الخطية للغاية، وبالتالي تجعل من صعوبة التنبؤ ورصد الأداء في خدمتهم. منصة اختبار على نطاق المختبر المقدمة في هذه الوثيقة تساعد التحقيق في تأثير أحمال الميكانيكية المتزامنة والظروف البيئية على هذه المواد. وقد تم تصميم منصة لتكون منخفضة التكلفة وسهلة الاستخدام. من مواد مقاومة كيميائيا جعل منصة قابلة للتكيف مع دراسات التدهور الكيميائي بسبب التعرض أثناء الخدمة إلى سوائل. وقد أجريت مثال التجربة في RT على مغلقة خلية من مادة البولي يوريثينعينات رغوة محملة بوزن الموافق ~ 50٪ من النهائي حمولتها الساكنة وجاف. وتشير النتائج إلى أن جهاز الفحص هو المناسب لهذه الدراسات. النتائج أيضا تسليط الضوء على الضعف الأكبر من البوليمر تحت تحميل المتزامنة، استنادا إلى أعلى نزوح منتصف نقطة وانخفاض الأحمال فشل المتبقية. وقدمت توصيات لإدخال تحسينات إضافية إلى جهاز الفحص.
البوليمر واعتمدت المقوى بالألياف البوليمر (FRP) المركبة في مجموعة متنوعة من الهياكل الهندسية، بدءا من الطائرات والمركبات الفضائية والسفن البحرية والبنية التحتية المدنية، (انظر على سبيل استعراض أمثلة Katnam وآخرون. 1، 2 Hollaway، Mouritz وآخرون 3) والسيارات والقطارات والرياح ريش التوربينات، والأطراف الاصطناعية والمواد الحيوية لخياطة الجروح وزرع. يتأثر متانة هذه المواد من خلال سيناريوهات معقدة الخدمة، والتي قد تشمل مجموعة من أ) الحرارية الميكانيكية تحميل، على سبيل المثال، ودورات ذوبان الجليد تجميد في البنية التحتية المدنية 4، لمحات دون سرعة الصوت / رحلة الأسرع من الصوت 5، وارتداء في البولي اثيلين المدعومة من المعدن 6) . ب) تدهور بسبب العوامل البيئية والكيميائية، على سبيل المثال، مياه البحر، إزالة الجليد، السوائل الهيدروليكية لصناعات الطيران والبحرية الهياكل 7-10، وتدهور المركبة polymethylmethacrylate الأسنان بسبب اللعاب 11؛ ج) الأسواق العالمية ضغطها معقدةractions من المواد في المفاصل تثبيتها أو المستعبدين، على سبيل المثال، كلفاني التآكل وdebonding بين المواد المختلفة، سواء في إصلاح التصحيح الكربون / الألياف على الجلد الألومنيوم الطائرات، أو / نظرة خاطفة لوحة العظام الكربون تثبيتها بواسطة الفولاذ المقاوم للصدأ (12).
هناك للأسف معرفة تأثير المتزامنة المنبهات أثناء الخدمة على متانة على المدى الطويل من هذه المواد محدودة. ويمكن تصنيف معظم البوليمرات والمواد اللزجة. أحمال الميكانيكية والظروف البيئية تؤثر بشكل كبير من استجابة اللزجة من البوليمرات. وبالتالي، يجب نماذج يمكن الاعتماد عليها لسلوك هذه المواد "على المدى الطويل تكون قادرة على دمج الاستجابات التي تعتمد على الوقت لالرطوبة الحرارية إلى جانب والميكانيكية والمحفزات الكيميائية. وهذا بدوره تحسين التنبؤات التصميم والسلامة وبروتوكولات صيانة / استبدال القائم على الشرط.
وهناك مجموعة الأدب كبير على الاختبار التجريبي على آثار الرطوبة الحراريةعلى سبيل المثال الرطوبة الحرارية الاختبارات نشر: إذا كان حجم العينات يسمح بذلك، قد يكون وضع العينات المادية في غرفة في الرطوبة ودرجة الحرارة المستوى المطلوب. تتم إزالة عينات بصفة دورية لقياس كتلة و / أو حجم التغييرات الخاصة بهم لفترة معينة من الزمن، من أسابيع إلى سنة 10،13-17. يمكن اتباعها اختبار الرطوبة الحرارية عن طريق الاختبار الميكانيكي، أي المتبقية قوة ثابت / التعب / كسر ميكانيكا اختبار 17-19، والذي يعطي معلومات عن تأثير الرطوبة الحرارية التحفيز على الاستجابة الميكانيكية للمواد فقط. يمكن تركيبها بيانات الاختبار لنماذج الانتشار مختلفة من التعقيد، من نشر Fickian بسيط لنماذج تشمل الاعتماد على التركيز، والإجهاد، ودرجة الحرارة، وعكسها البدني الشيخوخة / تلوين والتفاعلات الكيميائية لا رجعة فيها. قد يزيد ستدرج هذا الإخراج التجريبي في التحليلات الهيكلية.
ويتناول عدد قليل من الكتاب تأثير HY في وقت واحدgrothermal والمحفزات الميكانيكية. ومن بين تلك الأبحاث المركبة FRP، نيومان وGarom 20 مغمورة أكد والعينات بهيج في الماء المقطر. تم تطبيق الإجهاد عن طريق وضع العينات داخل الينابيع الفولاذ المقاوم للصدأ المضغوط، وضبط حمولة باستخدام التصلب ربيع المختلفة والأحمال الضغط. وتفيد التقارير إجراء مماثل من قبل وان وآخرون. 21. هلبلينغ وKarbhari 22 يعملون لاعبا اساسيا الانحناء داخل غرفة البيئية لمختلف نسب الرطوبة النسبية (RH٪) ومستويات درجة الحرارة. وتعرض العينات مكيفة مسبقا لمعين الانحناء مستوى سلالة الموافق مئوية من ثابت سلالة الشد النهائي لهذا المركب. Kasturiarachchi وبريتشارد 23 أعدت الفولاذ المقاوم للصدأ 4 نقطة الانحناء رقصة (واحد لكل عينة) الذي تم وضعه على الرف في مجفف زجاجي كبير. وقد شغل المجفف جزئيا مع الماء المقطر، وكان تسرب صغيرة لمنع بووضعت ildup من الضغط، وغرفة الرطوبة في 95٪ RH. غيليرت وتورلي 7 التحقيق الصف البحرية العينات FRP مركب لقوة التحمل في ظل مجتمعة تحميل زحف و 100٪ RH. تم تحميل العينات في 4 نقطة الانحناء على وزن ثابت يساوي 20٪ من الفشل ثابت تحميل الثنية، في حين مغمورة تماما في مياه البحر. وقد حصلت على انحراف زحف دوريا باستخدام مقياس سمك بين السطح الخارجي للشعاع في وسط المقطع العرضي، وطبق من زجاج (ويستدل على ذلك تم إجراء مثل هذا القياس خارج الغرفة). عبد المجيد وآخرون. 24 وضعت عينات من الزجاج / الايبوكسي في المباراة البيئي INVAR التي تم توفيرها من قبل وكالة ناسا لانغلي، حيث تم تحميل العينات في التوتر على طول اتجاه الألياف، في 20٪ من حمولة محورية في نهاية المطاف. Ellyin وRohrbarcher 25 ركض اختبارات الرطوبة الحرارية لمدة تصل إلى 140 يوما، ومن ثم اختبار العينات في التعب على آلة الاختبار الهيدروليكي. العينةكانت ملفوفة في قطعة قماش الصورة الجبن الرطب متصلة أنبوب وإمدادات المياه. إيرل وآخرون. 26 وضعه على اعبا اساسيا التحميل والعينات في غرفة البيئية الكبيرة (5.5 م 3).
كما نوقش في العديد من الدراسات التجريبية، والظروف البيئية تؤثر على خصائص وردود الميكانيكية البوليمرات. تظهر بعض التجارب محدودة أيضا أن وجود الميكانيكية الإجهاد / سلالة يؤثر على عملية نشر في البوليمرات. وبالتالي، من أجل تعزيز التفاهم على الأداء الكلي للمواد البوليمر المستندة تحت تأثير كلا الميكانيكية وغير الميكانيكية، وهناك حاجة لاختبار المتزامنة.
وكانت هناك عدة أهداف وراء تصميم منصة الاختبار التي تمت مناقشتها في هذه الورقة. أولا، ومنصة هي جزء من الإعداد التجريبية في التحقيق لعدة سنوات على سلوك hygrothermo الميكانيكية من أنواع مختلفة من المواد المركبة FRP ساندويتش لتوربينات الرياح لتطبيقات الهندسة البحرية الثانية. وتستخدم بيانات الاختبار لمعايرة المعلمات في المعادلات التأسيسية اللزجة لالمركبة البوليمرية. وتستند النماذج التأسيسية على العمل تطورت على مر السنين من قبل Muliana والمتعاونين 27-30. وكان الهدف الثاني لديك منخفضة التكلفة ومنصة اختبار سهل الاستعمال، على سبيل المثال واحد التي يمكن نقلها بسهولة في مختبر (على سبيل المثال، إلى نطاق لقياس الكتلة، أو إلى مصدر السائل، على سبيل المثال، واحدة القادمة من الصنبور، وfumehood أو خزانة قابلة للاشتعال). وكان الهدف الثالث لخلق منصة الاختبار التي هي مقاومة لعدد من المواد الكيميائية التي يشيع استخدامها في خدمة (وخاصة السوائل الهيدروليكية، إزالة الجليد، محاليل التنظيف لاستخدامات الفضاء الجوي 8-10)، وبالتالي يمكن أن تكون مغمورة العينات في هذه المواد الكيميائية، و يمكن تقييم المتانة.
تم بناء غرفة (الشكل 1) مع ارتفاع الكثافة polyethyleشمال شرق، والتي لديها مقاومة كيميائية عالية. كما ذكر أعلاه، فإنه من المتوقع أن العمل في المستقبل سوف تشمل التحقيق hygrothermo الميكانيكية من المواد المركبة مغمورة في السوائل الهيدروليكية، إزالة الجليد، محاليل التنظيف. منذ التنظيم الحراري هو جزء لا يتجزأ من الاختبار، تم احتواء رغوة البوليسترين الموسع حول جوانب الخزان وتأمينها في مكان من الشريط وإطار من الصلب نفسه، لمنع تبادل الحرارة مع البيئة.
تم تصنيع غطاء غرفة (الشكل 2) من الشفافية، والبولي 9.525 مم سميكة، مما يتيح للمستخدمين لمراقبة العينات خلال الاختبار من دون إزعاج الاختبار. يتم تأمين الغطاء في مكان من الألومنيوم T-الحانات، التي كانت تشكيله لتنزلق تحت يخيم بين قوسين على جوانب الخزان.
الانحناء في العينات والتي سنها ثلاث كتل الألومنيوم، والتي يتعطل باستمرار من الغطاء، ويتم تثبيتها من خلال فتحات في الغطاء. الكتل الثلاث تسمح يصل إلى أربعة الصورةpecimens لفحصها في وقت واحد، في حين تسمح فتحات غطاء التباعد كتلة لتعديلها تبعا لطول العينات. يتم تقريب كل كتلة على حافة الاتصال إلى 12.7 مم، في التمسك ASTM D790-10 المعيار. يتم وضع العينات تحت اثنين من الكتل الثلاث، مع قوة صاعدة تطبيقها في وسطها للحث على الانحناء (أرقام 1-2).
وقد تم تصميم الجهاز مع أقصى قدر من التنوع وسهولة الاستخدام في الاعتبار. يتم تثبيتها مع عجلات 41.275 مم تحت الغرفة لأغراض التنقل. فوقهم، ويدعم الدبابة التي كتبها إطار من الصلب الملحومة مع قاع شبكة سلكية والحزم عبر حصول على الدعم. تم تصنيعها زاوية الفواصل الأوراق المالية للخارج زوايا خزان للحفاظ على العزل من سحقهم من قبل الوزن والتشريد أجهزة القياس العلوية (جهاز عاء سلسلة، مناقشته لاحقا). حول الجزء العلوي، واستخدم الأسهم زاوية ثانية للتأطير. أنظمة بكرة وسلسلة الجهد لmeasuإعادة منتصف العمر-انحراف هي التي شنت على أربعة الصلب، والأقواس مربع أنابيب (الشكل 3). مركز اثنين من الأقواس من هذه الأربعة تحمل الجهد سلسلة وقابلة للتعديل لحساب عينة براعة. وشيدت على الجهد سلسلة باستخدام الربيع التوائية (كما يمكن العثور عليها في اسهم رئيسية قابل للسحب) والجهد مع مخرجات الإلكترونية ذات ثلاث شعب. يتم محاذاة البكرات والتي شنت للاستخدام مع كابل من الصلب يمتد من اتصال جامدة من العينة إلى قضيب تخيم على جانب من الغرفة لتطبيق الوزن قابل للتعديل.
يتم تطبيق الحمل إلى العينة باستخدام سلسلة من الكابلات، والبكرات، والروابط والمسامير. أولا، يتم وضع العينة في U-الترباس بحيث عبر شريط 10 ملم واتصالات مع منتصف العمر. ثم تم توصيل 9.525 مم قضيب من الصلب قطرها مع مسامير العين في نهاية كل لU-الترباس. يمر هذا الصدد الصلب من خلال غطاء من الغرفة. كبل الصلب وكيفلر روترد hread إلى ييبولت مقابل U-الترباس. وهذا يسمح للموضوع كيفلر من الجهد سلسلة لقراءة البيانات من نقطة جامدة. استمر كابل من الصلب صعودا ويمر فوق اثنين من البكرات التي تسمح للتحميل ليتم تطبيقها في محيط الخزان. ثم يتم توصيل كابل إلى 9.525 مم قضبان الصلب التي هي بمثابة شماعات الوزن فترة زمنية محددة. توفر هذه شماعات مكان الأوزان فترة زمنية محددة يمكن تعيين من أجل تطبيق التحميل المطلوب.
من البيانات التي حصل عليها، ويمكن أن نرى أن السيناريو اختبار المتزامنة لم تؤثر على متانة الخلايا المغلقة عينات رغوة البولي يوريثان. هذا يمكن أن ينظر إليه من خلال مقارنة التشريد مختلفة إلى حد كبير (الشكل 5) والأحمال المتبقية إلى الفشل (الشكل 6) من العي…
The authors have nothing to disclose.
الكتاب أشكر القدر غارسيا، سيرينا فيرارو، إريك كويروز وستيفن كيرن (المركبات المتقدمة للبحوث والهندسة وعلوم المختبرات) لمساعدتهم في تصميم وتصنيع واختبار الإعداد. واعترف شون مالوني، مايكل Akahori، ديفيد Kehlet (هندسة تصنيع مختبر) على اقتراحاتهم والمساعدة في عملية بالقطع. بدعم من مؤسسة العلوم الوطنية (منحة التعاوني CMMI-1265691 وملحق REU به) ومكتب البحوث البحرية (N00014-13-1-0604 إلى A. Muliana، تكساس & M جامعة (الباحث الرئيسي)، وV. لا سابونارا ، الذي يديره مدير برنامج يابا راجاباكسي) هي موضع تقدير والعرفان.
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 |