مقارنة بين اختبارات الشد والانحناء على مادة مركبة ذات طبقات

قياس DMA

كانت العينات بأبعاد 55 × 10 × 1.8 مم، وتم توصيفها في حالة الشد والانحناء. بالنسبة للقياسات، استُخدمت حوامل عينات الشد المتيبسة، مما يسمح بأحمال اختبار تصل إلى 150 نيوتن.

تم إجراء الاختبار في نطاق درجة الحرارة من -100 درجة مئوية إلى +200 درجة مئوية بمعدل تسخين 2 كلفن/دقيقة. لتحقيق أقصى قدر من تأثيرات القياس، يتم تثبيت العينة في حالة شد بطول حر يبلغ 35 مم. في كلا الاختبارين، يتم ضبط سعة إجهاد ديناميكي بنسبة 0.1% بتردد 1 هرتز. ومع ذلك، في وضع الشد، تكون السعة محدودة بحد القوة القابلة للبرمجة أيضًا وهو 150 نيوتن. في كلا الاختبارين، تتم برمجة قوة ثابتة تتناسب مع القوة الديناميكية. ونظرًا لأن القوة الساكنة في الانحناء يجب أن تضمن ضغطًا كافيًا في الدعامات، يتم اختيار عامل التناسب، PF، في الانحناء ليكون أعلى إلى حد ما (عامل الشد PF 1.1، وعامل الانحناء PF 1.2 مع FStat=PF*FDyn).

يشير معامل التخزين لمادة مصفوفة البوليمر إلى الانتقال الزجاجي عند -2 درجة مئوية، وهو ما يمكن التعرف عليه من خلال نقطة الانعطاف (الشكل 2). عند درجة حرارة 160 درجة مئوية (البداية الاستقرائية)، ينخفض معامل التخزين انخفاضًا حادًا، وتصبح المادة لينة.

من الواضح أن معامل التخزين في الانحناء (المنحنى الأزرق) أعلى منه في الشد (المنحنى الأحمر) على نطاق درجة الحرارة بالكامل تقريبًا. في درجة حرارة الغرفة (20 درجة مئوية)، يحدث معامل التخزين المقاس في الانحناء عند 27827 ميجا باسكال وبالتالي يكون أعلى بنسبة 30% من قيمته في حالة الشد (20406 ميجا باسكال). ويرجع هذا السلوك إلى بنية الطبقة غير المتماثلة للعينة (قارن الشكل 1). نظرًا لأن الألياف الخارجية في الانحناء تساهم أكثر بكثير من المادة الموجودة في المركز، فإن الألياف الخارجية في اتجاه الحمل لها تأثير تصلب على العينة.

وكثيرًا ما يستخدم هذا التأثير في التصميم لتحقيق صلابة عالية في الانحناء مع انخفاض الوزن. ومع ذلك، في اختبار المواد للمركبات، يعني هذا التأثير أن المعامل المقاس في وضع الانحناء، بالمعنى الدقيق للكلمة، صالح فقط لسمك العينة المستخدمة بالضبط. في وضع الشد، من ناحية أخرى، يتم تحميل الألياف الفردية بشكل موحد ويمكن تحديد معامل صالح للعينة بأكملها. وبسبب هذا التأثير المختلف، يوصى بالتالي باختبار المركبات وفقًا للتحميل اللاحق. يوفر DMA GABO Eplexor^® جميع الإمكانيات لذلك.

معلومات عامة عن حالة إجهاد العينة

نظرًا لأن السلوك المختلف في حالة الشد مقابل الانحناء يرجع إلى البنية الداخلية للعينة، يجب عرض الضغوط المؤثرة على العينة بالتفصيل فيما يلي. يقتصر العرض على الضغوط في الاتجاه الطولي ذات الصلة في هذا السياق. بالنسبة لالتصاق الألياف مع مصفوفة البوليمر على وجه الخصوص، فإن الضغوط الأخرى ستكون ذات أهمية أيضًا.

في الميكانيكا الهندسية، يتم حساب حمل العينة على أساس القوى الداخلية. في حالة الشد، تسود قوة عمودية ثابتة على العينة بأكملها. يظهر في الشكل 3 القوى الداخلية لثلاثة محامل ثني مستخدمة في DMA. من الواضح أن الحمل الأقصى للانحناء ثلاثي النقاط المستخدم هنا يحدث مباشرةً أسفل مقدمة القوة المركزية؛ وفي كل مكان آخر، يسود حمل أقل. لذلك، يتم استخدام الانحناء المتماثل رباعي النقاط أيضًا في تحقيقات المركبات المعتمدة على الحمل [1].

تتناسب الضغوط الداخلية في الاتجاه الطولي تناسبًا طرديًا مع عزم الانحناء وتعتمد أيضًا على هندسة العينة وبنيتها. وبالتالي، يمكن حساب الإجهاد في العينة - الذي يختلف على المقطع العرضي - عند أي نقطة في العينة.

يوضح الشكل 4 الإجهادات التي من شأنها أن تعمل مع المعاملات المقيسة في المثال أعلاه، عند إجهاد اسمي بنسبة 0.1% في مادة متجانسة ذات سلوك مادي مرن خطي. في حالة الشد، يسود إجهاد ثابت على المقطع العرضي بأكمله، بينما في حالة الانحناء، يتم تحميل العينة في حالة الانضغاط على الجانب العلوي وفي حالة الشد على الجانب السفلي. وفقًا لذلك، تشير الإجهادات والضغوط المحددة في الانحناء أيضًا دائمًا إلى القيم القصوى في الألياف الخارجية.

لكن في المركب الطبقي يحدث توزيع إجهاد أكثر تعقيدًا بكثير مما هو الحال في العينة المتجانسة. لاعتبارات أخرى، يُفترض وفقًا للنظرية الكلاسيكية للحزمة والصفائح أن مناطق المقطع العرضي لا تلتوي، أي أن الإجهاد الطولي موزع بشكل موحد على المقطع العرضي [2].

في القياس أعلاه، تم قياس معامل تخزين مختلف في حالة الشد عنه في حالة الانحناء. وباستخدام معادلات الميكانيكا الهندسية (لمزيد من التفاصيل، انظر [2])، من المعروف كيف يتكون المعامل المقاس في الشد أو الانحناء من هذين المكونين لبنية طبقة معروفة تتكون من مادتين أو اتجاهين للألياف. وبالتالي، ينتج عن القياسين معادلتين يمكن من خلالهما تحديد معيارين للمادة. نظرًا لأن هذا الحساب يستند إلى افتراض النموذج الموضح أعلاه، وبالإضافة إلى ذلك، تخضع الهندسة والقيم المقاسة لشكوك، فقد ينتج عن هذا الإجراء انحرافات عن القيم الحقيقية من حيث المبدأ. عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، يمكن حساب معامل تخزين الألياف في اتجاه التحميل EІІІ = 38000 ميجا باسكال ومعامل تخزين الألياف في اتجاه التحميل EІІ = 3700 ميجا باسكال بهذه الطريقة.

يمكن بعد ذلك استخدام هذه المعاملات لحساب الإجهادات في المقطع العرضي للعينة عند إجهاد معين. وتنتج القفزات الناتجة في مسار الإجهاد من المعاملات المختلفة للطبقات الفردية وهي نموذجية بالنسبة للمركبات الليفية. وبالإضافة إلى ذلك، يتضح من مسار الإجهاد أن الألياف الخارجية لها تأثير قوي بشكل خاص على صلابة الانحناء للعينة.

الخاتمة

عند اختبار المركبات في الانحناء، يهيمن تأثير الطبقات السطحية الخارجية. لذلك، لا يمكن تعميم نتائج قياسات الانحناء على الأشكال الهندسية أو حالات التحميل الأخرى إلا بشكل ضعيف. أما في وضع الشد، من ناحية أخرى، يتم تحميل العينة بالتساوي ويتم قياس وحدة فقط بمتوسط متوسطها على المقطع العرضي. وفقًا لذلك، يجب دائمًا اختبار المواد وفقًا للتطبيق المستقبلي.

عن طريق جهاز DMA GABO Eplexor^®، يمكن قياس المركبات الصلبة نسبيًا في الانحناء والشد. كما هو الحال أيضًا بالنسبة لاختبارات الشد الساكنة، يمكن بالتالي تحديد قيم المواد في حالة الشد، كما هو مفضل. وهذا يسمح بتوصيف أكثر دقة واكتمالاً للمادة بشكل ملحوظ أكثر مما هو الحال مع الأدوات الأصغر، حيث يمكن قياس العينات الصلبة في الانحناء فقط.