Pendahuluan
Sifat mekanik polimer sering kali ditingkatkan dengan menambahkan serat. Peningkatan yang dihasilkan dalam kekakuan, kekuatan, dan modulus mulur memungkinkan banyak aplikasi canggih untuk direalisasikan. Sementara dalam pengujian mekanis statis, mode beban yang berbeda (tegangan, tekanan, geser atau tekukan) digunakan, dalam analisis mekanis dinamis (DMA), pengujian hampir secara eksklusif dilakukan dalam mode tekukan karena kekakuan sampel yang tinggi. Namun, dengan GABO DMA Beban Tinggi Eplexor®, bahan-bahan ini juga dapat sering diuji dalam mode tegangan. Dalam catatan aplikasi ini, perbedaan antara perilaku komposit dalam mode tegang versus mode lentur dibahas secara lebih rinci.
Sebagai contoh, komposit serat gelas polipropilena dengan proporsi volume serat 45% telah diselidiki. Seperti yang dapat dilihat pada gambar 1, ini adalah struktur lapisan [0/90/0/90/0/90/0] dengan serat luar yang berada pada arah beban.
Pengukuran DMA
Sampel memiliki dimensi 55 x 10 x 1,8 mm dan dikarakterisasi dalam tegangan dan tekukan. Untuk pengukuran, digunakan penahan sampel tarik yang kaku, yang memungkinkan beban uji hingga 150 N.
Pengujian dilakukan pada kisaran suhu dari -100°C hingga +200°C dengan laju pemanasan 2 K/menit. Untuk mencapai efek pengukuran maksimum, spesimen dijepit dengan tegangan hingga panjang bebas 35 mm. Pada kedua pengujian, amplitudo SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan dinamis sebesar 0,1% ditetapkan pada frekuensi 1 Hz. Namun, dalam mode tegangan, amplitudo dibatasi oleh batas gaya yang juga dapat diprogram yaitu 150 N. Dalam kedua pengujian, gaya statis diprogram yang berperilaku secara proporsional dengan gaya dinamis. Karena gaya statis dalam pembengkokan harus memastikan kompresi yang cukup pada penyangga, faktor proporsionalitas, PF, dalam pembengkokan dipilih agak lebih tinggi (tegangan PF 1.1, pembengkokan PF 1.2 dengan FStat = PF * FDyn).
Modulus penyimpanan dari bahan matriks polimer menunjukkan Suhu Transisi KacaTransisi gelas adalah salah satu sifat terpenting dari bahan amorf dan semi-kristal, misalnya, gelas anorganik, logam amorf, polimer, obat-obatan dan bahan makanan, dll., dan menggambarkan wilayah suhu di mana sifat mekanis bahan berubah dari keras dan rapuh menjadi lebih lunak, dapat diubah bentuknya atau kenyal.transisi kaca pada suhu -2°C, yang dapat dikenali dari titik belokan (gambar 2). Pada suhu 160°C (onset yang diekstrapolasi), modulus penyimpanan menurun secara tajam, dan material melunak.
Jelaslah bahwa modulus penyimpanan dalam pembengkokan (kurva biru) lebih tinggi daripada tegangan (kurva merah) pada hampir seluruh rentang suhu. Pada suhu kamar (20°C), modulus penyimpanan yang diukur dalam pembengkokan terjadi pada 27827 MPa dan dengan demikian lebih dari 30% lebih tinggi daripada nilai dalam tegangan (20406 MPa). Perilaku ini disebabkan oleh struktur lapisan asimetris spesimen (bandingkan gambar 1). Karena serat luar dalam pembengkokan berkontribusi jauh lebih banyak daripada material di tengah, serat luar dalam arah beban memiliki efek pengerasan pada sampel.
Efek ini sering digunakan dalam desain untuk mencapai kekakuan tekukan yang tinggi dengan berat yang rendah. Namun demikian, dalam pengujian material untuk komposit, efek ini berarti bahwa modulus yang diukur dalam pembengkokan, secara tegas, hanya berlaku untuk ketebalan spesimen yang digunakan. Sebaliknya, dalam mode tegangan, serat individu dibebani secara seragam dan modulus yang valid untuk seluruh spesimen dapat ditentukan. Karena efek yang berbeda ini, oleh karena itu disarankan untuk menguji komposit sesuai dengan pembebanan berikutnya. DMA GABO Eplexor® menawarkan semua kemungkinan untuk ini.
Informasi Umum tentang Kondisi Stres Spesimen
Karena perbedaan perilaku dalam tegangan versus tekukan disebabkan oleh struktur internal spesimen, tegangan yang bekerja pada spesimen harus dilihat secara rinci berikut ini. Penyajiannya terbatas pada tegangan dalam arah longitudinal yang relevan dalam konteks ini. Khususnya untuk perekatan serat dengan matriks polimer, tegangan lain juga akan menarik.
Dalam mekanika teknik, beban spesimen dihitung berdasarkan gaya internal. Dalam tegangan, gaya normal yang konstan berlaku di seluruh spesimen. Digambarkan pada gambar 3 adalah gaya internal untuk tiga bantalan lentur yang digunakan dalam DMA. Jelas bahwa beban maksimum dari pembengkokan 3 titik yang digunakan di sini terjadi tepat di bawah pengenalan gaya pusat; di tempat lain, beban yang lebih kecil berlaku. Oleh karena itu, tekukan 4 titik simetris juga digunakan untuk investigasi komposit yang bergantung pada beban [1].
Tegangan internal pada arah longitudinal berbanding lurus dengan momen tekuk dan juga bergantung pada geometri dan struktur spesimen. Dengan demikian, tegangan pada spesimen - yang bervariasi pada penampang melintang - dapat dihitung pada titik mana pun dalam spesimen.
Gambar 4 menunjukkan tegangan yang akan bekerja dengan modulus yang diukur pada contoh di atas, pada SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan nominal 0,1% pada material homogen dengan perilaku material elastis linier. Pada tegangan, tegangan konstan berlaku pada seluruh penampang, sedangkan pada tekukan, spesimen dibebani dengan kompresi pada sisi atas dan tegangan pada sisi bawah. Oleh karena itu, SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan dan tegangan yang ditentukan dalam pembengkokan juga selalu mengacu pada nilai maksimum pada serat luar.
Namun, pada komposit berlapis, distribusi tegangan yang jauh lebih rumit terjadi dibandingkan dengan spesimen homogen. Untuk pertimbangan lebih lanjut, diasumsikan sesuai dengan teori balok dan laminasi klasik bahwa area penampang tidak melengkung, yaitu regangan longitudinal terdistribusi secara seragam pada penampang [2].
Pada pengukuran di atas, modulus penyimpanan yang berbeda diukur pada tegangan dibandingkan pada tekukan. Dengan menggunakan rumus mekanika teknik (untuk detailnya, lihat [2]), dapat diketahui bagaimana modulus yang terukur pada tegangan atau tekukan terdiri dari dua komponen ini untuk struktur lapisan yang diketahui terdiri dari dua bahan atau arah serat. Dengan demikian, dua pengukuran menghasilkan dua persamaan yang darinya dua modulus material dapat ditentukan. Karena perhitungan ini didasarkan pada asumsi model yang dijelaskan di atas dan, sebagai tambahan, geometri dan nilai yang diukur tunduk pada ketidakpastian, prosedur ini dapat mengakibatkan penyimpangan dari nilai sebenarnya pada prinsipnya. Pada suhu 20°C, modulus penyimpanan untuk serat pada arah pembebanan EІІ = 38000 MPa dan melintang terhadap arah pembebanan EІ = 3700 MPa dapat dihitung dengan cara ini.
Modulus ini kemudian dapat digunakan untuk menghitung tegangan pada penampang melintang spesimen pada regangan tertentu. Lompatan yang dihasilkan dalam perjalanan tegangan diakibatkan oleh modulus yang berbeda dari masing-masing lapisan dan merupakan hal yang khas untuk komposit serat. Selain itu, jelas dari arah tegangan bahwa serat luar memiliki efek yang sangat kuat pada kekakuan lentur spesimen.
Kesimpulan
Ketika menguji komposit dalam pembengkokan, pengaruh lapisan permukaan luar mendominasi. Oleh karena itu, hasil pengukuran tekukan hanya dapat digeneralisasi ke geometri lain atau kasus beban yang kurang baik. Sebaliknya, dalam mode tarik, spesimen dibebani secara merata dan hanya modul yang dirata-ratakan pada penampang yang diukur. Oleh karena itu, material harus selalu diuji sesuai dengan aplikasi yang akan datang.
Dengan menggunakan DMA GABO Eplexor®, komposit yang relatif kaku dapat diukur dalam pembengkokan dan tegangan. Seperti halnya untuk uji tarik statis, nilai material dapat ditentukan dalam tegangan, seperti yang diinginkan. Hal ini memungkinkan karakterisasi material yang jauh lebih tepat dan lengkap dibandingkan dengan instrumen yang lebih kecil, di mana spesimen yang kaku hanya dapat diukur dalam tekukan.