Εισαγωγή
Η κατανόηση των ιξωδοελαστικών ιδιοτήτων των πολυμερών είναι ζωτικής σημασίας για τη χρήση τους σε πολλές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των αθλητικών ειδών. Τα πολυμερή και τα σύνθετα πολυμερή υψηλής απόδοσης έχουν φέρει επανάσταση στον κλάδο του αθλητισμού, προσφέροντας στους χρήστες ανθεκτικό, άνετο, ακριβές και μακράς διάρκειας εξοπλισμό [1]). Τα πολυμερή και τα πολυμερή σύνθετα υλικά αποτελούν τη βάση για μια δραστήρια μέρα: περιλαμβάνουν το υλικό δαπέδου που χρησιμοποιείται σε εσωτερικές και εξωτερικές αθλητικές εγκαταστάσεις, τις σόλες των παπουτσιών, το πλέγμα των διχτυών, τις χορδές των ρακετών κ.λπ. Η δυνατότητα αξιολόγησης των θερμικών ιδιοτήτων και της φυσικής απόδοσης αυτών των υλικών είναι κρίσιμη για τον σχεδιασμό, την κατασκευή και την τελική χρήση τους.
Η Δυναμική Μηχανική Ανάλυση (DMA) χρησιμοποιείται κυρίως για την ανάλυση των ιξωδοελαστικών ιδιοτήτων των πολυμερών υλικών, αλλά χρησιμοποιείται επίσης για τη μέτρηση μετάλλων, κεραμικών ή για την προσομοίωση συγκεκριμένων μηχανικών συνθηκών. Το DMA 303 της NETZSCH Eplexor® είναι μια ευέλικτη επιτραπέζια συσκευή ικανή να μετρά σε εύρος θερμοκρασιών από -170 °C έως 800 °C (-274 °F έως 1472 °F), εφαρμόζοντας δυνάμεις που κυμαίνονται από 1 mN έως 50 N, και λειτουργεί σε συχνότητες από 0,001 έως 150 Hz. Στην παρούσα μελέτη, δοκιμάστηκαν τρεις διαφορετικές χορδές μπάντμιντον υψηλής απόδοσης με τη χρήση δυναμικής μηχανικής ανάλυσης (DMA). Ο σύγχρονος σχεδιασμός των χορδών μπάντμιντον περιλαμβάνει διάφορα υλικά, στρώματα και επιστρώσεις [2]. Και τα τρία δείγματα που δοκιμάστηκαν έχουν την ίδια βασική δομή: έναν πυρήνα από πολυνημάτια νάιλον που περιβάλλεται από πλεγμένες ίνες νάιλον. Το δείγμα 1 διαθέτει επίστρωση υδριδίου τιτανίου, ενώ τα δείγματα 2 και 3 διαθέτουν επίστρωση από σύνθετους νανοσωλήνες άνθρακα τύπου «cup-stack». Από άποψη επιδόσεων, ο κατασκευαστής βαθμολογεί τις διάφορες χορδές, η σύνοψη των οποίων παρουσιάζεται στον Πίνακα 1.
Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά των τριών χορδών μπάντμιντον, όπως αναφέρονται από τον κατασκευαστή.
| Μεταβλητή | Δείγμα 1 (Βαθμολογία σε κλίμακα 10) | Δείγμα 2 (Βαθμολογία σε κλίμακα 10) | Δείγμα 3 (Βαθμολογία σε κλίμακα 10) |
|---|---|---|---|
| Δύναμη απώθησης | 7 | 8 | 9 |
| Ανθεκτικότητα | 7 | 10 | 7 |
| Ήχος κρούσης | 7 | 7 | 8 |
| Απορρόφηση κραδασμών | 6 | 6 | 8 |
| Έλεγχος | 6 | 6 | 10 |
Ο πρωταρχικός στόχος της παρούσας μελέτης είναι να συσχετιστεί η ιξωδοελαστική συμπεριφορά που μετρήθηκε με τη μέθοδο DMA με τα κριτήρια απόδοσης που αναφέρονται από τον κατασκευαστή στον Πίνακα 1. Ο συντελεστής αποθήκευσης (E’) περιγράφει την ικανότητα του υλικού να αποθηκεύει και να απελευθερώνει ενέργεια (όπως ένα ελατήριο), η οποία μπορεί να συσχετιστεί άμεσα με την αναφερόμενη δύναμη απώθησης. Ο συντελεστής απώλειας (E”) περιγράφει τη διάχυση ενέργειας από το υλικό (συνήθως μέσω εσωτερικής τριβής), ενώ ο συντελεστής απόσβεσης (tan δ) είναι ο λόγος του E” προς το E’ (ο οποίος περιγράφει τον βαθμό στον οποίο ένα υλικό θα αποσβένει μια εφαρμοζόμενη δύναμη). Επομένως, τόσο ο ήχος κρούσης όσο και η απορρόφηση κραδασμών συνδέονται άμεσα με τις ιδιότητες των E” και tan δ. Επιπλέον, παράμετροι όπως η ανθεκτικότητα μπορούν να διερευνηθούν μέσω δοκιμών ως συνάρτηση της αυξανόμενης δύναμης και όχι της θερμοκρασίας.
Δοκιμές DMA για τις ιξωδοελαστικές ιδιότητες και προσομοίωση εφαρμογών
Για τον προσδιορισμό των ιξωδοελαστικών ιδιοτήτων των τριών χορδών μπάντμιντον, πραγματοποιήθηκε σε κάθε δείγμα μια τυπική θερμοκρασιακή σάρωση υπό εφελκυσμό (οπτική απεικόνιση στο Σχήμα 1), με το σύστημα DMA 303 της NETZSCH Eplexor® , σε θερμοκρασίες από -150 έως 150 ºC.
Ο Πίνακας 2 συνοψίζει τις διάφορες ζώνες μετάβασης κάθε δείγματος. Το ιξωδοελαστικό προφίλ του δείγματος 1 ως συνάρτηση της θερμοκρασίας παρουσιάζεται στο Σχήμα 2, του δείγματος 2 στο Σχήμα 3 και του δείγματος 3 στο Σχήμα 4· όλα τα δείγματα μετρήθηκαν υπό εφελκυσμό. Από τα Σχήματα 2 έως 4, τα δείγματα 2 και 3 παρουσιάζουν πολύ παρόμοια προφίλ και ζώνες μετάβασης, σε αντίθεση με το δείγμα 1 (το οποίο έχει διαφορετική επίστρωση) το οποίο διαφέρει σημαντικά. Το νάιλον είναι ένα αλειφατικό πολυαμίδιο που ταξινομείται συνήθως με αριθμητικούς βαθμούς (6, 66, 11, 12), οι οποίοι παρουσιάζουν όλοι υαλώδη μετάβαση μεταξύ 40 και 95 °C. Επομένως, είναι πολύ ενδιαφέρον να εξεταστούν οι άλλες μεταβάσεις που παρατηρούνται σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος.
Πίνακας 2: Θερμικές μεταβάσεις των δειγμάτων 1, 2 και 3, όπως καταγράφηκαν για τα E’, E” και tan δ. Όλα τα δείγματα μετρήθηκαν υπό εφελκυσμό, χρησιμοποιώντας δυναμική παραμόρφωση 10 μm, αναλογικό συντελεστή 1,3 και ρυθμό θέρμανσης 2 ºC/min.
| Μετάβαση | Έναρξη E' | E" Κορυφή | Tan δ |
|---|---|---|---|
Δείγμα 1 | |||
| 1 | -103,6 °C 8382 MPa | -84,2 °C 467 MPa | -79,9 °C 0,067 |
| 2 | -18,1 °C 4242 MPa | -4,2 °C 363 MPa | 10,3 °C 0,156 |
| 3 | 100,3 °C 580 MPa | 97,2 °C 62 MPa | 98,2 °C 0,1ß6 |
Δείγμα 2 | |||
| 1 | -90,7 °C 7001 MPa | -74,1 °C 381 MPa | -71,9 °C 0,061 |
| 2 | 22,0 °C 3813 MPa | 49,4 °C 220 MPa | 65,1 °C 0,136 |
Δείγμα 3 | |||
| 1 | -87,5 °C 5722 MPa | -71,9 °C 309 MPa | -70,7 °C 0,060 |
| 2 | 26,2 °C 3018 MPa | 51,7 °C 187 MPa | 68,1 °C 0,138 |
Από τα Σχήματα 2 έως 4, είναι επίσης σημαντικό να ληφθεί υπόψη η επίδραση της θερμοκρασίας στις ιξωδοελαστικές ιδιότητες των χορδών. Το μπάντμιντον είναι συνήθως ένα άθλημα που παίζεται σε κλειστό χώρο, αλλά τι γίνεται όταν παίζεται σε εξωτερικό χώρο;
Το Σχήμα 5 παρουσιάζει το θερμικό προφίλ του δείγματος 1 από 0 έως 50 °C. Σε μια δροσερή φθινοπωρινή ημέρα με θερμοκρασία 4 °C, οι χορδές θα ήταν 2,3 φορές πιο άκαμπτες σε σύγκριση με τη θερμοκρασία δωματίου (25 °C) ή 3,0 φορές πιο άκαμπτες σε σύγκριση με μια ζεστή καλοκαιρινή ημέρα με θερμοκρασία 35 °C. Ωστόσο, ο συντελεστής απόσβεσης δεν ακολουθεί ακριβώς την ίδια τάση, καθώς είναι μόνο 1,1 φορές υψηλότερος στους 4 °C σε σύγκριση με τους 25 °C και 1,3 φορές υψηλότερος στους 4 °C σε σύγκριση με τους 35 °C. Επομένως, παρόλο που οι χορδές θα ήταν πιο σκληρές και θα παρουσίαζαν μικρότερη ελαστικότητα κατά το χτύπημα του birdie, η ποσότητα ενέργειας που απορροφάται από τις χορδές και δεν μετατρέπεται σε δύναμη χτυπήματος θα παρέμενε παρόμοια.
Ένας βασικός στόχος αυτών των δοκιμών είναι να κατανοήσουμε πώς θα συμπεριφέρονταν οι χορδές του μπάντμιντον στην προβλεπόμενη χρήση τους. Ως εκ τούτου, τα ίδια τρία δείγματα υποβλήθηκαν σε δοκιμή κάμψης τριών σημείων για να προσδιοριστούν οι ιδιότητες κάμψης τους (απόσταση κάμψης 20 mm για την ανάλυση ενός συγκεκριμένου τμήματος του συνολικού πλέγματος της ρακέτας), προσομοιώνοντας τον τρόπο με τον οποίο θα συμπεριφέρονταν όταν είναι τεντωμένες στη ρακέτα και χρησιμοποιούνται για να χτυπήσουν το φτερό. Η διάταξη της δοκιμής με τη χορδή τεντωμένη υπό κάμψη παρουσιάζεται στο Σχήμα 6.
Για να ελεγχθεί η απόδοση στην κάμψη τριών σημείων, πραγματοποιήθηκαν δύο διαφορετικές σειρές μεταβολών φορτίου σε θερμοκρασία δωματίου, με σκοπό τη μέτρηση των ιδιοτήτων. Το Σχήμα 7 παρουσιάζει την επίδραση της αυξανόμενης δυναμικής παραμόρφωσης (η οποία παρέμεινε κάτω από τα 0,7 N).
Το Σχήμα 8 παρουσιάζει τη μεταβολή του μήκους των δειγμάτων ως συνάρτηση της αυξανόμενης δύναμης.
Από το Σχήμα 7 παρατηρείται ότι σε θερμοκρασία δωματίου υπάρχει σαφής διαφορά στις μηχανικές ιδιότητες των τριών χορδών. Σε ένα ενδεικτικό πλάτος 50 μm, το δείγμα 1 παρουσιάζει τις χαμηλότερες τιμές μέτρου ελαστικότητας (E’ = 89,6 GPa, E” = 12,2 GPa), το δείγμα 2 τις υψηλότερες (E’ = 118,1 GPa, E” = 10,3 GPa), ενώ το δείγμα 3 βρίσκεται ενδιάμεσα (E’ = 101,6 GPa, E” = 9,5 GPa). Λαμβάνοντας υπόψη ότι ο συντελεστής απόσβεσης είναι ο λόγος του συντελεστή απώλειας προς τον συντελεστή αποθήκευσης, αυτό σημαίνει ότι το δείγμα 1 έχει τις υψηλότερες ιδιότητες απόσβεσης (0,14), ακολουθούμενο από το δείγμα 3 (0,09) και το δείγμα 2 (0,09). Οι τιμές αυτές δεν αντιστοιχούν άμεσα σε εκείνες που αναφέρονται από τον κατασκευαστή στον Πίνακα 1, αλλά είναι πολύ σημαντικό να ληφθεί υπόψη πώς επηρεάζουν την απόδοση και οι τρεις ιξωδοελαστικές παράμετροι, καθώς και πόσο σημαντική είναι η θερμοκρασία στην οποία πραγματοποιήθηκαν οι δοκιμές, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.
Τέλος, από το Σχήμα 8 παρατηρείται η μεταβολή του μήκους του δείγματος με την αύξηση της δυναμικής δύναμης. Αυτό αποτελεί σημαντικό παράγοντα για τον προσδιορισμό της δύναμης που μπορεί να αντέξει ένα μεμονωμένο στοιχείο χορδής χωρίς σημαντική παραμόρφωση. Το δείγμα 3 παρουσιάζει τη μεγαλύτερη παραμόρφωση, γεγονός που υποδηλώνει ότι είναι πιθανώς το λιγότερο ανθεκτικό από τα τρία λόγω της τάσης του να παραμορφώνεται (το αποτέλεσμα αυτό συνάδει με τον Πίνακα 1). Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι τα δείγματα αυτά, στα οποία ασκήθηκε φορτίο κάμψης τριών σημείων, τεντώθηκαν με το χέρι, γεγονός που ενδέχεται να αυξήσει τη διακύμανση μεταξύ των απόλυτων μετρήσεων.
Περίληψη
Η ανάπτυξη πολυμερών και σύνθετων υλικών υψηλής απόδοσης έχει φέρει επανάσταση στον κόσμο των αθλητικών ειδών. Στο παρόν άρθρο, παρουσιάσαμε τον τρόπο με τον οποίο το σύστημα DMA 303 της NETZSCH Eplexor® μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση, τη σύγκριση και την προσομοίωση της απόδοσης τριών διαφορετικών χορδών μπάντμιντον σε ένα ευρύ φάσμα παραμέτρων. Διεξήχθησαν δοκιμές θερμικής κλιμάκωσης για τον προσδιορισμό των θερμοκρασιών μετάβασης των τριών δειγμάτων, καθώς και για την αξιολόγηση της απόδοσής τους σε διάφορες θερμοκρασίες στις οποίες ενδέχεται να εκτεθούν στο εξωτερικό περιβάλλον. Διεξήχθησαν δοκιμές μεταβολής φορτίου για την αξιολόγηση των μηχανικών ιδιοτήτων των χορδών σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά και για την κατανόηση της απόδοσής τους υπό εφαρμοζόμενο φορτίο στην κατεύθυνση με την οποία οι χορδές θα χτυπούσαν ένα φτερό.