Úvod
Mechanické vlastnosti polymerů se často zlepšují přidáním vláken. Výsledné zvýšení tuhosti, pevnosti a modulu pružnosti při tečení umožňuje realizovat mnoho sofistikovaných aplikací. Zatímco při statických mechanických zkouškách se používají různé režimy zatížení (tah, tlak, smyk nebo ohyb), při dynamické mechanické analýze (DMA) se zkoušky provádějí téměř výhradně v režimu ohybu z důvodu vysoké tuhosti vzorku. S přístrojem High-Load DMA Gabo Eplexor® lze však tyto materiály často zkoušet také v tahu. V této aplikační poznámce jsou proto podrobněji rozebrány rozdíly mezi chováním kompozitu v tahu a v ohybu.
Jako příklad byl zkoumán polypropylenový kompozit se skleněnými vlákny s objemovým podílem vláken 45 %. Jak je patrné z obrázku 1, jedná se o vrstvenou strukturu [0/90/0/90/0/90/0] s vnějšími vlákny ležícími ve směru zatížení.
Měření DMA
Vzorky měly rozměry 55 x 10 x 1,8 mm a jsou charakterizovány v tahu a ohybu. Pro měření byly použity vyztužené držáky vzorků v tahu, které umožňovaly zkušební zatížení až 150 N.
Zkoušky se prováděly v teplotním rozsahu od -100 °C do +200 °C při rychlosti ohřevu 2 K/min. Pro dosažení maximálních účinků měření je vzorek upnut v tahu na volnou délku 35 mm. Při obou zkouškách je nastavena amplituda dynamické deformace 0,1 % při frekvenci 1 Hz. V tahovém režimu je však amplituda omezena rovněž programovatelnou mezní silou 150 N. V obou zkouškách je naprogramována statická síla, která se chová úměrně dynamické síle. Protože statická síla v ohybu musí zajistit dostatečné stlačení v podporách, je součinitel proporcionality PF v ohybu zvolen poněkud vyšší (PF tah 1,1, PF ohyb 1,2 s FStat=PF*FDyn).
Modul úložného odporu materiálu s polymerní matricí indikuje skelný přechod při -2 °C, který lze rozpoznat podle inflexního bodu (obr. 2). Při teplotě 160 °C (extrapolovaný počátek) Pružnost a modul pružnostiPružnost pryže nebo entropická pružnost popisuje odolnost jakéhokoli pryžového nebo elastomerového systému proti vnější deformaci nebo deformaci. modul skladovatelnosti prudce klesá a materiál měkne.
Je zřejmé, že Pružnost a modul pružnostiPružnost pryže nebo entropická pružnost popisuje odolnost jakéhokoli pryžového nebo elastomerového systému proti vnější deformaci nebo deformaci. modul skladovatelnosti v ohybu (modrá křivka) je vyšší než v tahu (červená křivka) prakticky v celém teplotním rozsahu. Při pokojové teplotě (20 °C) se Pružnost a modul pružnostiPružnost pryže nebo entropická pružnost popisuje odolnost jakéhokoli pryžového nebo elastomerového systému proti vnější deformaci nebo deformaci. modul skladovatelnosti naměřený v ohybu vyskytuje na hodnotě 27827 MPa, a je tedy o více než 30 % vyšší než hodnota v tahu (20406 MPa). Toto chování je způsobeno asymetrickou strukturou vrstev vzorku (srovnej obr. 1). Protože vnější vlákna v ohybu přispívají mnohem více než materiál ve středu, mají vnější vlákna ve směru zatížení na vzorek ztužující účinek.
Tento efekt se často využívá při konstrukci k dosažení vysoké tuhosti v ohybu při nízké hmotnosti. Při zkoušení materiálů pro kompozity však tento efekt znamená, že modul naměřený v ohybu je přísně vzato platný pouze pro přesně danou tloušťku použitého vzorku. Naproti tomu v tahovém režimu jsou jednotlivá vlákna zatěžována rovnoměrně a lze stanovit modul platný pro celý vzorek. Vzhledem k tomuto rozdílnému vlivu se proto doporučuje zkoušet kompozity podle jejich následného zatížení. Všechny možnosti k tomu nabízí stránka DMA Gabo Eplexor®.
Obecné informace o stavu namáhání vzorku
Vzhledem k tomu, že rozdílné chování v tahu a v ohybu je způsobeno vnitřní strukturou vzorku, je třeba se dále podrobně zabývat napětími působícími na vzorek. Prezentace se omezuje na napětí v podélném směru, která jsou v této souvislosti relevantní. Zejména pro adhezi vláken s polymerní matricí by byla zajímavá i jiná napětí.
V inženýrské mechanice se zatížení vzorku počítá na základě vnitřních sil. V tahu převládá v celém vzorku konstantní normálová síla. Na obrázku 3 jsou znázorněny vnitřní síly pro tři ohybová ložiska použitá v DMA. Je zřejmé, že maximální zatížení zde použitého tříbodového ohybu se vyskytuje přímo pod středovým silovým úvodem; všude jinde převládá menší zatížení. Proto se pro vyšetřování kompozitů závislých na zatížení používá také symetrický 4bodový ohyb [1].
Vnitřní napětí v podélném směru je přímo úměrné ohybovému momentu a závisí také na geometrii a konstrukci vzorku. Napětí ve vzorku - které se mění v celém průřezu - lze tedy vypočítat v libovolném bodě vzorku.
Na obrázku 4 jsou znázorněna napětí, která by působila při modulech naměřených ve výše uvedeném příkladu při jmenovité deformaci 0,1 % v homogenním materiálu s lineárně pružným chováním materiálu. V tahu převládá v celém průřezu konstantní napětí, zatímco v ohybu je vzorek zatížen v tlaku na horní straně a v tahu na spodní straně. V souladu s tím se uvedené deformace a napětí v ohybu také vždy vztahují k maximálním hodnotám ve vnějším vlákně.
Ve vrstveném kompozitu však dochází k mnohem komplikovanějšímu rozložení napětí než v případě homogenního vzorku. Pro další úvahy se v souladu s klasickou teorií nosníků a laminátů předpokládá, že se plochy průřezu nedeformují, tj. že podélná deformace je v průřezu rovnoměrně rozložena [2].
Při výše uvedeném měření byl změřen jiný modul úložnosti v tahu než v ohybu. Pomocí vzorců inženýrské mechaniky (podrobnosti viz [2]) je známo, jak se naměřený modul v tahu nebo ohybu skládá z těchto dvou složek pro známou strukturu vrstvy složené ze dvou materiálů nebo směrů vláken. Výsledkem obou měření jsou tedy dvě rovnice, z nichž lze určit oba moduly materiálu. Protože tento výpočet vychází z výše vysvětleného modelového předpokladu a navíc geometrie a naměřené hodnoty podléhají nejistotám, může tento postup v zásadě vést k odchylkám od skutečných hodnot. Při teplotě 20 °C lze tímto způsobem vypočítat Pružnost a modul pružnostiPružnost pryže nebo entropická pružnost popisuje odolnost jakéhokoli pryžového nebo elastomerového systému proti vnější deformaci nebo deformaci. modul skladovatelnosti pro vlákna ve směru zatížení EІІ =38000 MPa a příčně ke směru zatížení EІ =3700 MPa.
Tyto moduly pak lze použít k výpočtu napětí v průřezu vzorku při dané deformaci. Výsledné skoky v průběhu napětí jsou důsledkem rozdílných modulů jednotlivých vrstev a jsou typické pro vláknové kompozity. Z průběhu napětí je navíc zřejmé, že vnější vlákna mají obzvláště silný vliv na ohybovou tuhost vzorku.
Závěr
Při zkouškách kompozitů v ohybu dominuje vliv vnějších povrchových vrstev. Proto lze výsledky měření v ohybu jen obtížně zobecnit na jiné geometrie nebo zatěžovací stavy. Naproti tomu v tahovém režimu je vzorek zatěžován rovnoměrně a měří se pouze modul zprůměrovaný v celém průřezu. Proto by se materiály měly vždy zkoušet v souladu s budoucím použitím.
Pomocí DMA Gabo Eplexor® lze měřit relativně tuhé kompozity v ohybu a tahu. Stejně jako v případě statických tahových zkoušek lze tedy hodnoty materiálu stanovit přednostně v tahu. To umožňuje podstatně přesnější a úplnější charakterizaci materiálu, než by tomu bylo u menších přístrojů, u nichž lze tuhé vzorky měřit pouze v ohybu.