Сравнение между режимите на огъване с 3 точки и на опън
Материалът Поликарбонат
Поликарбонатът е термопластичен материал и когато не е подсилен с частици или влакна, се размеква изключително много при по-високи температури. За да се определи температурната зависимост на механичните свойства или температурата на встъкляване, са необходими определени геометрии на изпитване и специални условия на изпитване.
Експериментален
За изследванията на поликарбонат (PC бял) се използва Eplexor® 500 N (фигура 1), оборудван със сензор за сила 500 N и термокамера (-160°C до 500°C).
огъване в 3 точки
За много приложения обикновено се използва изпитването на огъване в 3 точки. Тъй като PC започва да омеква много "рано", т.е. вече с много градуси под температурата на стъклото (Tg), образецът от PC има тенденция да провисне под собственото си тегло и да докосне дъното, преди да е достигната температурата на стъклото (фигура 2). Той дори приема контура на триточковия държач за огъване (тук: размах 30 mm)! Този ефект съпътства всички държачи за огъване, независимо от техния размах. Пробите от персонални компютри, подложени на изпитвания на огъване, претърпяват сложни деформации (едновременно разтягане-срязване-огъване) при температурни промени. В зависимост от материала деформацията може да започне още при температури с 10 до 30 °C по-ниски от температурата на стъклото. Процесите на деформация, които пробата изпитва при изпитване на огъване, се различават за всички температури от тези, които се наблюдават при изпитване на опън. Следователно при изпитванията на огъване разсейването на енергията ще бъде по-високо, отколкото при изпитванията на опън, тъй като съществуват повече процеси на разсейване на енергията. Тази констатация оправдава очакването, че в режим на огъване се получават по-високи стойности на tanδ, отколкото при изпитванията на опън, дори ако материалът на изпитването е един и същ.
Изпитвания на опън
По-добрата алтернатива за динамично-механичен анализ на ПК е изпитването на опън. Всички изпитвания на опън трябва да отговарят на следните изисквания:
- Да се преодолее присъщата тенденция на свиване на образеца при по-високи температури
- Да се осигури равнинност на образеца (= да се предотврати огъване)
Подходящо конфигурираните изпитвания на PC на опън свеждат до минимум влиянието на гравитацията върху формата на образеца. При конвенционалните изпитвания на опън се прилагат по-големи статични натоварвания, отколкото динамични натоварвания. По този начин се избягва появата на редуващи се натоварвания по време на изпитвателните цикли и по този начин се предотвратява изкривяването на образеца. Ако може да се приложат определени мерки, за да се изключи възможността за изкривяване, тогава не е необходимо да се спазва това правило! В този случай както статичното, така и динамичното натоварване могат да се избират свободно, за да съответстват на нуждите на експеримента. Действително, огъване не се получава, когато при изпитванията на опън се използват къси образци (с дължина на калибъра от няколко милиметра) и small деформации (в микрометрична скала). Такива конфигурации се прилагат, когато се извършват температурни промени на компютър.
Условия за изпитване
Образците от PC, използвани за изпитванията на опън, са с ширина 9,5 mm, дебелина 3 mm и дължина 30 mm. Получава се дължина на пробата от около 10 mm, която се оказва подходяща за динамични натоварвания с контрол на деформациите. Ниската амплитуда на статичната сила (контактна сила) поддържа PC образеца прав по всяко време на изпитването, когато не се получават точки с данни. За сравнение се извършва и изпитване на триточково огъване (статично напрежение 3 %, динамично напрежение 1 %, контактна сила 1 N ± 0,5 N, обхват 30 mm).
Фигура 3 показва значителното влияние на силата на опън върху формите на образеца в 3 примера. Тя трябва да предотвратява свиването и да не удължава значително образеца от PC. Очевидно е, че нивата на контактната сила от 0,5 N (фигура 3, ляво и фигура 3, център) и 0,75 N не са достатъчни. Нивото на контактната сила от 1 N (фигура 3, дясно) е това, което поддържа образеца прав и не го удължава прекомерно.
Всъщност необходимата сила, ограничаваща свиването, зависи от материала и площта на напречното сечение на образеца!
Статичните деформации от 50 μm (0,5 % статична деформация) и динамичните деформации от 10 μm (0,1 % динамична деформация) могат да бъдат открити добре и няма да предизвикат огъване при изпитванията на опън. Избраният режим на контрол на деформациите поддържа амплитудите на деформациите постоянни при всички температури, като променя съответните нива на статична и динамична сила с промяна на температурата (2°C/min, честота: 10 Hz).
Резултати от измерването
Температурната зависимост на модула на еластичност |E*| и tanδ е показана на фигура 4 за изпитване на опън и 3-точково огъване.
Модулът на еластичност |E*| при ниска температура показва стойност от около 2300 MPa и в двата случая. Максимумът на кривата tanδ се намира около 166,5 °C (Tg). При температури под 25°C показаните модули |E*| се различават значително. Затихването tanδогъване е по-високо, тъй като са активни повече различни деформационни процеси, отколкото при изпитванията на опън. Модулите на огъване |E*| са по-малко значими, тъй като за изчисляването им се използват първоначалните размери на образеца, но действителната форма се различава значително от тях.
При опън площта на напречното сечение на образеца постепенно намалява при повишени температури поради удължаването на образеца. При предположението за постоянен обем на образеца, когато той е натоварен на опън, реалната (=коригирана) площ на напречното сечение може да се определи, ако се измери действителното удължение. Полученият модул |E*| се отнася до коригираната площ на напречното сечение.
Заключение
Изпитването на опън предлага по-добре дефинирани условия на изпитване за динамично-механични анализи на термопластични материали, които - когато не са подсилени - омекват значително още при 20 °C или 30 °C под Tg. Формата на образеца се запазва в целия температурен диапазон много по-добре при изпитванията на опън, отколкото при изпитванията на огъване. Геометричните предположения, направени за изчисляване на динамичните механични свойства, се изпълняват в по-голяма степен в геометрията на изпитването на опън - важна причина да се предпочитат изпитванията на опън в експерименталната практика.