Εισαγωγή
Οι μηχανικές ιδιότητες των πολυμερών βελτιώνονται συχνά με την προσθήκη ινών. Η προκύπτουσα αύξηση της δυσκαμψίας, της αντοχής και του μέτρου ερπυσμού επιτρέπει την υλοποίηση πολλών εξελιγμένων εφαρμογών. Ενώ στις στατικές μηχανικές δοκιμές χρησιμοποιούνται διάφοροι τρόποι φόρτισης (εφελκυσμός, πίεση, διάτμηση ή κάμψη), στη δυναμική μηχανική ανάλυση (DMA), οι δοκιμές διεξάγονται σχεδόν αποκλειστικά σε τρόπο κάμψης λόγω της υψηλής δυσκαμψίας του δείγματος. Με το High-Load DMA GABO Eplexor®, ωστόσο, τα υλικά αυτά μπορούν συχνά να δοκιμαστούν και σε εφελκυσμό. Σε αυτό το σημείωμα εφαρμογής, εξετάζονται επομένως λεπτομερέστερα οι διαφορές μεταξύ της συμπεριφοράς ενός σύνθετου υλικού σε κατάσταση εφελκυσμού και σε κατάσταση κάμψης.
Ως παράδειγμα, διερευνήθηκε ένα σύνθετο υλικό από πολυπροπυλένιο με ίνες γυαλιού και ποσοστό όγκου ινών 45%. Όπως φαίνεται στο σχήμα 1, πρόκειται για μια δομή [0/90/0/90/0/90/0/90/0] στρώσεων με τις εξωτερικές ίνες να βρίσκονται στη διεύθυνση φόρτισης.
Μέτρηση DMA
Τα δοκίμια είχαν διαστάσεις 55 x 10 x 1,8 mm και χαρακτηρίστηκαν σε εφελκυσμό και κάμψη. Για τις μετρήσεις χρησιμοποιήθηκαν δύσκαμπτες υποδοχές δειγμάτων εφελκυσμού, οι οποίες επέτρεπαν φορτία δοκιμής έως και 150 N.
Οι δοκιμές πραγματοποιούνται στο εύρος θερμοκρασιών από -100°C έως +200°C με ρυθμό θέρμανσης 2 K/min. Για να επιτευχθούν τα μέγιστα αποτελέσματα μέτρησης, το δοκίμιο συσφίγγεται σε εφελκυσμό σε ελεύθερο μήκος 35 mm. Και στις δύο δοκιμές, ορίζεται δυναμικό πλάτος παραμόρφωσης 0,1% σε συχνότητα 1 Hz. Στη λειτουργία εφελκυσμού, ωστόσο, το πλάτος περιορίζεται από το επίσης προγραμματιζόμενο όριο δύναμης των 150 N. Και στις δύο δοκιμές προγραμματίζεται μια στατική δύναμη που συμπεριφέρεται αναλογικά με τη δυναμική δύναμη. Δεδομένου ότι η στατική δύναμη σε κάμψη πρέπει να εξασφαλίζει επαρκή συμπίεση στα στηρίγματα, ο συντελεστής αναλογικότητας, PF, σε κάμψη είναι selectκάπως υψηλότερος (PF εφελκυσμός 1,1, PF κάμψη 1,2 με FStat=PF*FDyn).
Το μέτρο αποθήκευσης του υλικού πολυμερικής μήτρας υποδεικνύει τη υαλώδη μετάβαση στους -2°C, η οποία μπορεί να αναγνωριστεί από το σημείο καμπής (σχήμα 2). Στους 160°C (παραπληρωματική έναρξη), το μέτρο αποθήκευσης μειώνεται απότομα και το υλικό μαλακώνει.
Είναι προφανές ότι το μέτρο αποθήκευσης σε κάμψη (μπλε καμπύλη) είναι υψηλότερο από ό,τι σε εφελκυσμό (κόκκινη καμπύλη) σε ολόκληρο σχεδόν το εύρος θερμοκρασιών. Σε θερμοκρασία δωματίου (20°C), το μέτρο αποθήκευσης που μετράται σε κάμψη εμφανίζεται στα 27827 MPa και είναι συνεπώς περισσότερο από 30% υψηλότερο από την τιμή σε εφελκυσμό (20406 MPa). Η συμπεριφορά αυτή οφείλεται στην ασύμμετρη δομή των στρωμάτων του δοκιμίου (συγκρίνετε το σχήμα 1). Δεδομένου ότι οι εξωτερικές ίνες σε κάμψη συνεισφέρουν πολύ περισσότερο από το υλικό στο κέντρο, οι εξωτερικές ίνες στη διεύθυνση της φόρτισης έχουν επίδραση δυσκαμψίας στο δείγμα.
Το φαινόμενο αυτό χρησιμοποιείται συχνά στο σχεδιασμό για την επίτευξη υψηλής δυσκαμψίας κάμψης με χαμηλό βάρος. Στη δοκιμή υλικών για σύνθετα υλικά, ωστόσο, το φαινόμενο αυτό σημαίνει ότι ένα μέτρο ελαστικότητας που μετράται σε κάμψη ισχύει, αυστηρά μιλώντας, μόνο για το πάχος του δείγματος που χρησιμοποιείται ακριβώς. Στον εφελκυσμό, από την άλλη πλευρά, οι μεμονωμένες ίνες φορτίζονται ομοιόμορφα και μπορεί να προσδιοριστεί ένα μέτρο ελαστικότητας που ισχύει για ολόκληρο το δοκίμιο. Λόγω αυτής της διαφορετικής επίδρασης, συνιστάται συνεπώς η δοκιμή των σύνθετων υλικών ανάλογα με την επακόλουθη φόρτιση. Το DMA GABO Eplexor® προσφέρει όλες τις δυνατότητες γι' αυτό.
Γενικές πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση καταπόνησης του δείγματος
Δεδομένου ότι η διαφορετική συμπεριφορά σε εφελκυσμό και κάμψη οφείλεται στην εσωτερική δομή του δοκιμίου, οι τάσεις που ασκούνται στο δοκίμιο θα εξεταστούν λεπτομερώς στη συνέχεια. Η παρουσίαση περιορίζεται στις τάσεις στη διαμήκη διεύθυνση που είναι σχετικές στο πλαίσιο αυτό. Για την πρόσφυση των ινών με την πολυμερική μήτρα ειδικότερα, θα μπορούσαν να ενδιαφέρουν και άλλες τάσεις.
Στη μηχανική της μηχανικής, το φορτίο ενός δοκιμίου υπολογίζεται με βάση τις εσωτερικές δυνάμεις. Σε εφελκυσμό, μια σταθερή κανονική δύναμη επικρατεί σε ολόκληρο το δοκίμιο. Στο σχήμα 3 απεικονίζονται οι εσωτερικές δυνάμεις για τρία έδρανα κάμψης που χρησιμοποιήθηκαν στο DMA. Είναι προφανές ότι το μέγιστο φορτίο της κάμψης 3 σημείων που χρησιμοποιείται εδώ εμφανίζεται ακριβώς κάτω από την κεντρική εισαγωγή δύναμης- παντού αλλού επικρατεί ένα φορτίο smaller. Ως εκ τούτου, η συμμετρική κάμψη 4 σημείων χρησιμοποιείται επίσης για έρευνες σύνθετων υλικών που εξαρτώνται από το φορτίο [1].
Οι εσωτερικές τάσεις στη διαμήκη διεύθυνση είναι ευθέως ανάλογες με τη ροπή κάμψης και εξαρτώνται επίσης από τη γεωμετρία και τη δομή του δοκιμίου. Έτσι, η τάση στο δοκίμιο - η οποία μεταβάλλεται κατά τη διατομή - μπορεί να υπολογιστεί σε οποιοδήποτε σημείο του δοκιμίου.
Το Σχήμα 4 δείχνει τις τάσεις που θα δρούσαν με τις ιδιομορφές που μετρήθηκαν στο παραπάνω παράδειγμα, στην ονομαστική παραμόρφωση 0,1% σε ένα ομογενές υλικό με γραμμική ελαστική συμπεριφορά υλικού. Σε εφελκυσμό, μια σταθερή τάση επικρατεί σε ολόκληρη τη διατομή, ενώ σε κάμψη, το δοκίμιο φορτίζεται σε θλίψη στην επάνω πλευρά και σε εφελκυσμό στην κάτω πλευρά. Κατά συνέπεια, οι καθορισμένες τάσεις και παραμορφώσεις σε κάμψη αναφέρονται επίσης πάντα στις μέγιστες τιμές στην εξωτερική ίνα.
Ωστόσο, στο σύνθετο υλικό με στρώσεις εμφανίζεται μια πολύ πιο περίπλοκη κατανομή τάσεων από ό,τι στο ομοιογενές δοκίμιο. Για τις περαιτέρω θεωρήσεις, θεωρείται σύμφωνα με τη θεωρία classical για τις δοκούς και τα ελάσματα ότι οι διατομές δεν στρεβλώνονται, δηλαδή ότι η διαμήκης τάση κατανέμεται ομοιόμορφα στη διατομή [2].
Στην παραπάνω μέτρηση μετρήθηκε διαφορετικό μέτρο αποθήκευσης σε εφελκυσμό από ό,τι σε κάμψη. Χρησιμοποιώντας τους τύπους της μηχανικής της μηχανικής (για λεπτομέρειες, βλέπε [2]), είναι γνωστό πώς το μετρούμενο μέτρο αποθήκευσης σε εφελκυσμό ή κάμψη αποτελείται από αυτές τις δύο συνιστώσες για μια γνωστή δομή στρώματος που αποτελείται από δύο υλικά ή κατευθύνσεις ινών. Έτσι, οι δύο μετρήσεις καταλήγουν σε δύο εξισώσεις από τις οποίες μπορούν να προσδιοριστούν τα δύο μόρια του υλικού. Δεδομένου ότι ο υπολογισμός αυτός βασίζεται στην παραδοχή του μοντέλου που εξηγήθηκε παραπάνω και, επιπλέον, η γεωμετρία και οι μετρούμενες τιμές υπόκεινται σε αβεβαιότητες, η διαδικασία αυτή μπορεί να οδηγήσει σε αποκλίσεις από τις πραγματικές τιμές κατ' αρχήν. Σε θερμοκρασία 20°C, μπορεί να υπολογιστεί με αυτόν τον τρόπο ένα μέτρο αποθήκευσης για τις ίνες στη διεύθυνση φόρτισης EІІ =38000 MPa και εγκάρσια στη διεύθυνση φόρτισης EІ =3700 MPa.
Αυτά τα μόρια μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό των τάσεων στη διατομή του δοκιμίου σε μια δεδομένη τάση. Τα προκύπτοντα άλματα στην πορεία της τάσης οφείλονται στις διαφορετικές ιδιομορφίες των επιμέρους στρώσεων και είναι τυπικά για τα σύνθετα υλικά με ίνες. Επιπλέον, είναι σαφές από την πορεία της τάσης ότι οι εξωτερικές ίνες έχουν ιδιαίτερα ισχυρή επίδραση στην καμπτική δυσκαμψία του δοκιμίου.
Συμπέρασμα
Κατά τη δοκιμή σύνθετων υλικών σε κάμψη, η επιρροή των εξωτερικών επιφανειακών στρωμάτων κυριαρχεί. Ως εκ τούτου, τα αποτελέσματα των μετρήσεων σε κάμψη μπορούν να γενικευτούν σε άλλες γεωμετρίες ή περιπτώσεις φόρτισης μόνο ελάχιστα. Στον εφελκυσμό, από την άλλη πλευρά, το δοκίμιο φορτίζεται ομοιόμορφα και μετράται μόνο μια μονάδα κατά μέσο όρο στη διατομή. Κατά συνέπεια, τα υλικά πρέπει πάντα να δοκιμάζονται σύμφωνα με τη μελλοντική εφαρμογή.
Με το DMA GABO Eplexor®, μπορούν να μετρηθούν σχετικά δύσκαμπτα σύνθετα υλικά σε κάμψη και εφελκυσμό. Όπως συμβαίνει και στις στατικές δοκιμές εφελκυσμού, οι τιμές του υλικού μπορούν έτσι να προσδιοριστούν σε εφελκυσμό, κατά προτίμηση. Αυτό επιτρέπει έναν σημαντικά ακριβέστερο και πληρέστερο χαρακτηρισμό του υλικού από ό,τι θα συνέβαινε με τα όργανα smaller, στα οποία τα άκαμπτα δοκίμια μπορούν να μετρηθούν μόνο σε κάμψη.