Bevezetés
A polimerek mechanikai tulajdonságait gyakran javítják szálak hozzáadásával. A merevség, a szilárdság és a kúszási modulus ebből eredő növekedése számos kifinomult alkalmazás megvalósítását teszi lehetővé. Míg a statikus mechanikai vizsgálatok során különböző terhelési módokat (húzás, nyomás, nyírás vagy hajlítás) alkalmaznak, a dinamikus mechanikai elemzés (DMA) során a vizsgálatokat a minta nagy merevsége miatt szinte kizárólag hajlítási módban végzik. A High-Load DMA GABO Eplexor® segítségével azonban ezeket az anyagokat gyakran lehet húzóvizsgálatokat is végezni. Ebben az alkalmazási megjegyzésben ezért részletesebben tárgyaljuk a kompozitok húzó és hajlító üzemmódban való viselkedése közötti különbségeket.
Példaként egy polipropilén üvegszálas kompozitot vizsgáltunk, amelynek a szálak térfogataránya 45%. Amint az 1. ábrán látható, ez egy [0/90/0/90/0/90/0/90/0] rétegszerkezet, amelyben a külső szálak a terhelés irányában fekszenek.
DMA mérés
A minták mérete 55 x 10 x 1,8 mm volt, és a minták jellemezték a húzó és hajlító igénybevételt. A mérésekhez merevített húzószilárdságú mintatartókat használtak, amelyek akár 150 N vizsgálati terhelést is lehetővé tettek.
A vizsgálatokat -100°C és +200°C közötti hőmérséklet-tartományban végezték 2 K/perc fűtési sebességgel. A maximális mérési hatás elérése érdekében a próbadarabot 35 mm szabad hosszban feszítettük be. Mindkét vizsgálatnál 0,1%-os dinamikus alakváltozási amplitúdót állítunk be 1 Hz-es frekvencián. Húzási módban azonban az amplitúdót a szintén programozható 150 N erőhatár korlátozza. Mindkét vizsgálatban egy statikus erő van programozva, amely a dinamikus erővel arányosan viselkedik. Mivel a statikus erőnek hajlításkor elegendő összenyomódást kell biztosítania a tartókban, a PF arányossági tényezőt hajlításkor valamivel magasabbnak kell választani (PF feszültség 1,1, PF hajlítás 1,2, FStat=PF*FDyn).
A polimer mátrixanyag tárolási modulusa -2°C-on jelzi az üvegesedési átmenetet, ami az inflexiós pontról ismerhető fel (2. ábra). 160°C-on (extrapolált kezdeti érték) a tárolási modulus meredeken csökken, és az anyag megpuhul.
Látható, hogy a tárolási modulus hajlításban (kék görbe) gyakorlatilag a teljes hőmérséklettartományban magasabb, mint húzásban (piros görbe). Szobahőmérsékleten (20 °C) a hajlításban mért tárolási modulus 27827 MPa, és így több mint 30%-kal magasabb, mint a húzófeszültségben mért érték (20406 MPa). Ez a viselkedés a próbatest aszimmetrikus rétegszerkezetének köszönhető (vö. 1. ábra). Mivel a külső szálak hajlításban sokkal nagyobb mértékben járulnak hozzá, mint a középső anyag, a terhelés irányában a külső szálak merevítő hatással vannak a mintára.
Ezt a hatást gyakran használják ki a tervezés során, hogy kis tömeg mellett nagy hajlítási merevséget érjenek el. A kompozitok anyagvizsgálatánál azonban ez a hatás azt jelenti, hogy a hajlításban mért modulus szigorúan véve csak pontosan a felhasznált minta vastagságára érvényes. Húzási módban viszont az egyes szálakat egyenletesen terhelik, és a teljes próbatestre érvényes modulus meghatározható. Ezen eltérő hatás miatt ezért ajánlott a kompozitokat a későbbi terhelésüknek megfelelően vizsgálni. A DMA GABO Eplexor® minden lehetőséget biztosít erre.
Általános információk a minta feszültségi állapotáról
Mivel a húzó- és hajlítófeszültségek eltérő viselkedése a próbatest belső szerkezetének köszönhető, a következőkben részletesen meg kell vizsgálni a próbatestre ható feszültségeket. A bemutatás az ebben az összefüggésben releváns hosszirányú feszültségekre korlátozódik. Különösen a szálaknak a polimer mátrixhoz való tapadása szempontjából más feszültségek is érdekesek lennének.
A mérnöki mechanikában a próbatest terhelését a belső erők alapján számítják ki. Húzás esetén a teljes próbatestre állandó normálerő érvényesül. A 3. ábrán a DMA-ban használt három hajlítócsapágy belső erői láthatók. Látható, hogy az itt használt 3 pontos hajlítás maximális terhelése közvetlenül a központi erőbevezetés alatt jelentkezik; mindenhol máshol kisebb terhelés érvényesül. Ezért a szimmetrikus 4 pontos hajlítást is használják a terheléstől függő kompozitok vizsgálatához [1].
A hosszirányú belső feszültségek közvetlenül arányosak a hajlítónyomatékkal, és függnek a próbatest geometriájától és szerkezetétől is. Így a próbatestben lévő feszültség - amely a keresztmetszetben változik - a próbatest bármely pontján kiszámítható.
A 4. ábra azokat a feszültségeket mutatja, amelyek a fenti példában mért modulusok mellett, 0,1%-os névleges alakváltozás mellett hatnának egy homogén, lineárisan rugalmas anyagviselkedésű anyagban. Húzás esetén a teljes keresztmetszetben állandó feszültség uralkodik, míg hajlítás esetén a próbatestet a felső oldalon nyomással, az alsó oldalon pedig húzással terhelik. Ennek megfelelően a hajlításban megadott alakváltozások és feszültségek is mindig a külső szálban mért maximális értékekre vonatkoznak.
A réteges kompozitban azonban sokkal bonyolultabb feszültségeloszlás alakul ki, mint a homogén próbatest esetében. A további megfontolásokhoz a klasszikus gerenda- és rétegelt lemezelméletnek megfelelően feltételezzük, hogy a keresztmetszetek nem vetemednek, azaz a hosszirányú feszültség egyenletesen oszlik el a keresztmetszetben [2].
A fenti mérés során más tárolási modulust mértünk húzóban, mint hajlításban. A mérnöki mechanika képletei alapján (részletesen lásd [2]) ismert, hogy egy ismert, két anyagból vagy szálirányból álló rétegszerkezet esetén a mért modulus húzóban vagy hajlításban hogyan tevődik össze e két komponensből. Így a két mérés két egyenletet eredményez, amelyekből az anyag két modulusa meghatározható. Mivel ez a számítás a fentebb ismertetett modellfeltevésen alapul, továbbá a geometria és a mért értékek bizonytalanságoknak vannak kitéve, ez az eljárás elvileg eltéréseket eredményezhet a valós értékektől. 20 °C hőmérsékleten a szálak tárolási modulusa a terhelés irányában EІІ =38000 MPa, a terhelés irányában pedig keresztben EІ =3700 MPa, így számítható ki.
Ezek a modulusok ezután felhasználhatók a próbatest keresztmetszetében adott alakváltozásnál fellépő feszültségek kiszámításához. A feszültségek menetében keletkező ugrások az egyes rétegek eltérő modulusaiból adódnak, és a szálkompozitokra jellemzőek. Ezen kívül a feszültségek lefolyásából világosan látszik, hogy a külső szálak különösen erős hatással vannak a próbatest hajlítási merevségére.
Következtetés
A kompozitok hajlításos vizsgálatakor a külső felületi rétegek hatása dominál. Ezért a hajlító mérések eredményei csak rosszul általánosíthatók más geometriákra vagy terhelési esetekre. Húzó üzemmódban ezzel szemben a próbatestet egyenletesen terhelik, és csak egy, a keresztmetszetre átlagolt modult mérnek. Ennek megfelelően az anyagokat mindig a későbbi alkalmazásnak megfelelően kell vizsgálni.
A DMA GABO Eplexor® segítségével viszonylag merev kompozitok hajlítás és húzás közben is mérhetők. Ahogyan a statikus szakítóvizsgálatok esetében is, az anyagértékek így előnyben részesíthetően feszültségben is meghatározhatók. Ez lehetővé teszi az anyag lényegesen pontosabb és teljesebb jellemzését, mint a kisebb műszerekkel, amelyekkel a merev próbatestek csak hajlításban mérhetők.