Johdanto
Polymeerien mekaanisia ominaisuuksia parannetaan usein lisäämällä kuituja. Tästä johtuva jäykkyyden, lujuuden ja virumismoduulin kasvu mahdollistaa monien kehittyneiden sovellusten toteuttamisen. Staattisessa mekaanisessa testauksessa käytetään eri kuormitustapoja (veto, paine, leikkaus tai taivutus), mutta dynaamisessa mekaanisessa analyysissä (DMA) testit tehdään lähes yksinomaan taivutustilassa näytteen suuren jäykkyyden vuoksi. High-Load DMA Gabo Eplexor®-laitteella näitä materiaaleja voidaan kuitenkin usein testata myös vetotestein. Tässä sovellusohjeessa käsitellään sen vuoksi yksityiskohtaisemmin eroja komposiitin käyttäytymisen välillä veto- ja taivutustilassa.
Esimerkkinä on tutkittu polypropeeni-lasikuitukomposiittia, jonka kuitujen tilavuusosuus on 45 %. Kuten kuvasta 1 nähdään, kyseessä on [0/90/0/90/0/90/0/90/0]-kerrosrakenne, jossa uloimmat kuidut ovat kuormituksen suunnassa.
DMA-mittaus
Näytteiden mitat olivat 55 x 10 x 1,8 mm, ja ne on luonnehdittu jännityksessä ja taivutuksessa. Mittauksissa käytettiin jäykistettyjä vetokoepidikkeitä, jotka mahdollistivat jopa 150 N:n testikuormituksen.
Testaus suoritetaan lämpötila-alueella -100 °C:sta +200 °C:seen lämmitysnopeudella 2 K/min. Suurimman mahdollisen mittaustehon saavuttamiseksi näyte on kiinnitetty jännitettynä 35 mm:n vapaaseen pituuteen. Molemmissa testeissä dynaamisen muodonmuutoksen amplitudi on 0,1 % ja taajuus 1 Hz. Jännitystilassa amplitudia rajoittaa kuitenkin myös ohjelmoitava voimaraja 150 N. Molemmissa testeissä ohjelmoidaan staattinen voima, joka käyttäytyy suhteessa dynaamiseen voimaan. Koska taivutuksessa staattisen voiman on varmistettava riittävä puristus tuissa, suhteellisuuskerroin PF taivutuksessa valitaan hieman suuremmaksi (PF veto 1,1, PF taivutus 1,2, kun FStat=PF*FDyn).
Polymeerimatriisimateriaalin varastointimoduuli osoittaa lasisiirtymän -2 °C:n lämpötilassa, mikä voidaan tunnistaa käännepisteestä (kuva 2). Kun lämpötila on 160 °C (ekstrapoloitu alkamispiste), varastointimoduuli laskee jyrkästi ja materiaali pehmenee.
On ilmeistä, että varastointimoduuli taivutuksessa (sininen käyrä) on korkeampi kuin jännityksessä (punainen käyrä) käytännössä koko lämpötila-alueella. Huoneenlämpötilassa (20 °C) taivutuksessa mitattu varastointimoduuli on 27827 MPa ja siten yli 30 prosenttia korkeampi kuin jännityksessä mitattu arvo (20406 MPa). Tämä käyttäytyminen johtuu näytteen epäsymmetrisestä kerrosrakenteesta (vertaa kuva 1). Koska taivutuksessa uloimpien kuitujen osuus on paljon suurempi kuin keskellä olevan materiaalin, kuorman suunnassa uloimmilla kuiduilla on näytettä jäykistävä vaikutus.
Tätä vaikutusta käytetään usein suunnittelussa, jotta saavutetaan suuri taivutusjäykkyys pienellä painolla. Komposiittimateriaalien materiaalitestauksessa tämä vaikutus tarkoittaa kuitenkin sitä, että taivutuksessa mitattu moduuli pätee tarkkaan ottaen vain täsmälleen käytetylle näytteen paksuudelle. Vetotilassa yksittäisiä kuituja kuormitetaan sitä vastoin tasaisesti, ja koko näytteelle voidaan määrittää moduuli. Tämän erilaisen vaikutuksen vuoksi on suositeltavaa testata komposiitteja niiden myöhemmän kuormituksen mukaan. DMA Gabo Eplexor® tarjoaa tähän kaikki mahdollisuudet.
Yleistä tietoa näytteen rasitustilasta
Koska erilainen käyttäytyminen jännityksessä ja taivutuksessa johtuu näytteen sisäisestä rakenteesta, näytteeseen vaikuttavia jännityksiä tarkastellaan seuraavassa yksityiskohtaisesti. Esitys rajoittuu tässä yhteydessä merkityksellisiin pituussuuntaisiin jännityksiin. Erityisesti kuitujen ja polymeerimatriisin kiinnittymisen kannalta myös muut jännitykset ovat kiinnostavia.
Insinöörimekaniikassa kappaleen kuormitus lasketaan sisäisten voimien perusteella. Jännityksessä koko näytteessä vallitsee vakio normaalivoima. Kuvassa 3 on esitetty sisäiset voimat kolmelle DMA:ssa käytetylle taivutuslaakerille. On ilmeistä, että tässä käytetyn 3-pistetaivutuksen maksimikuormitus esiintyy suoraan keskivoiman johdannon alapuolella; kaikkialla muualla vallitsee pienempi kuormitus. Siksi symmetristä 4-pisteen taivutusta käytetään myös kuormituksesta riippuvien komposiittien tutkimuksissa [1].
Pituussuuntaiset sisäiset jännitykset ovat suoraan verrannollisia taivutusmomenttiin, ja ne riippuvat myös näytteen geometriasta ja rakenteesta. Näin ollen näytteen jännitys - joka vaihtelee poikkileikkauksen mukaan - voidaan laskea missä tahansa näytteen kohdassa.
Kuvassa 4 esitetään jännitykset, jotka vaikuttaisivat edellä olevassa esimerkissä mitatuilla moduuleilla 0,1 prosentin nimellisjännityksellä homogeenisessa materiaalissa, jonka materiaalin käyttäytyminen on lineaarisesti elastista. Jännityksessä koko poikkileikkauksessa vallitsee vakiojännitys, kun taas taivutuksessa koekappaletta kuormitetaan yläpuolella puristukseen ja alapuolella vetoon. Näin ollen myös taivutuksessa määritetyt venymät ja jännitykset viittaavat aina maksimiarvoihin ulommassa kuidussa.
Kerroksellisessa komposiitissa jännitysjakauma on kuitenkin paljon monimutkaisempi kuin homogeenisessa näytteessä. Tarkemmissa tarkasteluissa oletetaan klassisen palkki- ja laminaattiteorian mukaisesti, että poikkileikkauspinnat eivät väänny, eli että pitkittäisjännitys jakautuu tasaisesti poikkileikkaukseen [2].
Edellä mainitussa mittauksessa mitattiin eri varastointimoduuli jännityksessä kuin taivutuksessa. Insinöörimekaniikan kaavojen avulla (ks. tarkemmin [2]) tiedetään, miten mitattu Kimmoisuus ja kimmomoduuliKumin kimmoisuus tai entropian kimmoisuus kuvaa kumin tai elastomeerijärjestelmän kestävyyttä ulkoisesti kohdistettua muodonmuutosta tai rasitusta vastaan. varastointimoduuli jännityksessä tai taivutuksessa muodostuu näistä kahdesta komponentista tunnetun, kahdesta materiaalista tai kuitusuunnasta koostuvan kerrosrakenteen osalta. Näin ollen kahdesta mittauksesta saadaan kaksi yhtälöä, joista voidaan määrittää materiaalin kaksi moduulia. Koska tämä laskenta perustuu edellä selitettyyn malliolettamukseen ja lisäksi geometriaan ja mitattuihin arvoihin liittyy epävarmuustekijöitä, tämä menettely voi periaatteessa johtaa poikkeamiin todellisista arvoista. Lämpötilassa 20 °C kuitujen Kimmoisuus ja kimmomoduuliKumin kimmoisuus tai entropian kimmoisuus kuvaa kumin tai elastomeerijärjestelmän kestävyyttä ulkoisesti kohdistettua muodonmuutosta tai rasitusta vastaan. varastointimoduuli kuormitussuunnassa EІІ =38000 MPa ja kuormitussuuntaan nähden poikittainen EІ =3700 MPa voidaan laskea tällä tavoin.
Näiden moduulien avulla voidaan sitten laskea jännitykset näytteen poikkileikkauksessa tietyllä rasituksella. Tästä johtuvat jännityksen kulun hyppäykset johtuvat yksittäisten kerrosten erilaisista moduuleista ja ovat tyypillisiä kuitukomposiiteille. Lisäksi jännityksen kulusta käy selvästi ilmi, että uloimmilla kuiduilla on erityisen voimakas vaikutus näytteen taivutusjäykkyyteen.
Päätelmä
Kun komposiitteja testataan taivutuksessa, ulkopintakerrosten vaikutus on hallitseva. Siksi taivutusmittausten tuloksia voidaan yleistää muihin geometrioihin tai kuormitustapauksiin vain heikosti. Vetomallissa koekappaletta sen sijaan kuormitetaan tasaisesti ja mitataan vain poikkileikkauksen keskiarvona oleva moduuli. Näin ollen materiaalit olisi aina testattava tulevan käyttökohteen mukaisesti.
Suhteellisen jäykät komposiittimateriaalit voidaan mitata DMA Gabo Eplexor®-laitteella taivutuksessa ja vedossa. Kuten myös staattisissa vetokokeissa, materiaaliarvot voidaan siten määrittää mieluiten vetokokeessa. Tämä mahdollistaa materiaalin huomattavasti tarkemman ja täydellisemmän karakterisoinnin kuin pienemmillä laitteilla, joilla jäykät koekappaleet voidaan mitata vain taivutuksessa.