Mengukur Sifat Viskoelastik dari Epoksi yang Diperkuat Serat

Dalam hal karakterisasi komposit yang diperkuat serat dengan teknik pengukuran dinamis, banyak pilihan yang tersedia, tetapi semuanya memiliki kelebihan dan kekurangan untuk material dan aplikasi yang berbeda. Dalam makalah mereka "Perbandingan antara metode tekukan 3 titik dan metode torsi untuk menentukan sifat viskoelastik epoksi yang diperkuat serat", Sebastian ^Huayamaresa, Dominik ^Grunda, dan Iman Tahaa^,b mencoba menjawab beberapa pertanyaan yang relevan dengan membandingkan pengukuran dalam mode tekukan 3 titik dan mode torsi. Makalah lengkapnya tersedia di sini!

Dalam artikel blog ini, kami merangkum temuan utama dari makalah ilmiah dan menjelaskan pengukuran yang dilakukan dengan NETZSCH DMA 242E Artemis serta interpretasi hasil yang sesuai tergantung pada kasus penggunaan.

Komposit epoksi yang diperkuat serat karbon dan serat kaca banyak digunakan di sektor ruang angkasa, penerbangan, dan otomotif karena kinerjanya yang tinggi. Kekuatan dan kekakuannya yang tinggi karena serat penahan beban dan bobot yang rendah serta ketahanan terhadap korosi karena matriks polimer menyebabkan sifat mekaniknya yang menguntungkan. Sifat akhir sebagian besar tergantung pada kandungan serat, orientasi serat serta adhesi serat-matriks yang bertanggung jawab untuk transfer beban antara serat. Untuk kontrol kualitas, sangat penting untuk memeriksa kinerja mekanis yang dicapai setelah manufaktur. Salah satu cara yang mudah adalah dengan menggunakan Dynamic Mechanical Analysis (DMA), karena ukuran sampel small dan informasi tambahan seperti transisi gelas dan perilaku viskoelastik komposit akhir yang dapat dianalisis.

Pengenalan teknik pengukuran yang digunakan

Analisis Mekanik Dinamis

Analisis mekanis dinamis adalah teknik yang digunakan untuk menentukan sifat viskoelastik polimer dan komposit. Modulus penyimpanan E', Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan E" dan faktor kehilangan δ yang berkorelasi dengan suhu transisi gelas Tg dapat dideteksi dengan menggunakan beberapa mode pengukuran. Yang paling umum adalah 3 titik tekuk atau kantilever, kompresi, torsi, tetapi juga tegangan dan geser. Dibandingkan dengan pengujian mekanis klasik, analisis mekanis dinamis menggunakan jumlah material yang lebih kecil dan gaya yang lebih rendah untuk memberikan informasi yang luas tentang sifat viskoelastik komposit. Hal ini menjadikannya teknik yang sangat ampuh untuk kontrol kualitas dan korelasi antara komposisi dan sifat material.

pembengkokan 3 titik

Dalam penelitian ini, sifat-sifat ini ditentukan dengan menggunakan NETZSCH DMA 242E Artemis dalam mode pembengkokan 3 titik. Mode ini adalah metode pengujian yang paling umum, karena menempatkan sampel di bawah beban tegangan-kompresi gabungan dan oleh karena itu, memberikan modulus tarik E' dan E" serta faktor redaman tanδ seperti yang terlihat pada Gambar 1. Transisi kaca Tg dapat diidentifikasi sebagai titik belok pada kurva E' atau sebagai titik maksimum pada kurva E". Selama operasi pembebanan, permukaan atas balok sampel mengalami kompresi dan permukaan bawah mengalami tegangan. Untuk menghindari tegangan geser yang signifikan, rasio lebar-ketebalan sampel untuk sampel yang kaku seperti komposit harus 10:1.

Puntir

Selain itu, sampel diselidiki dalam mode puntir, yang memerlukan pengaturan pengukuran terpisah yang lengkap. Pembebanan lebih kompleks pada torsi karena tegangan, kompresi, geser, dan pembebanan lentur bekerja pada balok sampel secara bersamaan. Sampel mengalami tegangan pada tepi sampel bagian luar, kompresi di bagian tengah, puntiran di sepanjang sumbu longitudinal dan kegagalan terjadi pada geser. Perbandingan antara mode lentur dan puntir serta pengaruhnya terhadap deformasi sampel disorot dalam warna hijau pada Gambar 2a.

Sampel yang diukur dalam 3 titik tekukan vs torsi secara teoritis menunjukkan suhu transisi yang sama dan perubahan modulus dan faktor kehilangan yang ditunjukkan pada Gambar 1. Namun, ini memberikan modulus geser G', G".

Hubungan antara modulus tarik E dan modulus geser G adalah:

E = 2 ∙ G (1 + μ)

Rasio Poisson µ adalah angka dimensi yang menghubungkan deformasi transversal dengan deformasi aksial. Untuk nilai yang kaku dan rapuh, µ mendekati 0 sehingga faktornya hampir 2 (E = 2G). Untuk bahan cair, seperti matriks polimer yang meleleh, µ mendekati 0,5 dan dengan demikian faktornya hampir 3 (E = 3G). Untuk sebagian besar komposit yang diperkuat serat, rasio Poisson µ sama dengan 0,1... 0,3 pada suhu kamar. Oleh karena itu, nilai G harus kurang dari 50% dari E.

Pertanyaan yang harus diajukan saat mengukur Epoksi yang Diperkuat Serat

Orientasi apa yang dimiliki oleh serat?

Orientasi serat searah: Ditemukan bahwa "metode puntir tidak dapat membedakan antara efek orientasi serat dan penguatan terkait" [1] yang diukur tegak lurus dan paralel di penjepit untuk sampel UD yang ditunjukkan pada Gambar 2 b sebagai 0° dan 90°. Sebaliknya, pembengkokan 3 titik yang diukur dengan DMA menunjukkan perbedaan yang jelas. Lebih lanjut, " modulus penyimpanan dan kehilangan yang diukur dengan torsi diperkirakan lebih rendah daripada yang diukur dengan pembengkokan 3 titik" [1]. Namun, meskipun U-GFR 0° E "60 GPa sesuai dengan yang diharapkan untuk material komposit, G jauh lebih rendah dari yang diharapkan (E "10G). Pada kasus yang didominasi matriks (U-GFR 90° E " 20 GPa), korelasinya sesuai dengan yang diharapkan (E = 3 G). Salah satu penjelasannya adalah rasio lebar-ke-ketebalan yang rendah dari sampel puntir.

Orientasi serat kuasi-isotropik: Kedua metode ini cocok untuk merefleksikan efek jenis serat (kekakuan) pada sifat dinamis komposit. Namun, nilai absolut dari modulis penyimpanan, sekali lagi tidak berkorelasi dan dengan demikian hasil torsi hanya dapat diterima sebagai identifikasi perbedaan kualitatif.

Peran apa yang dimainkan oleh persiapan sampel?

Tidak hanya orientasi serat bahan yang penting dalam memilih metode yang menghasilkan hasil yang paling banyak mengandung, tetapi persiapan sampel dan dengan demikian, ketersediaan bahan yang cukup juga sama pentingnya.

"Perhatian khusus diperlukan terkait persiapan sampel, karena hasilnya sangat sensitif terhadap variasi lebar dan ketebalan sampel. Studi ini menunjukkan bahwa lebar sampel yang tidak teratur dapat mengakibatkan large penyebaran nilai modulus penyimpanan" [1].

Akurasi dimensi yang baik

uji pembengkokan 3 titik dengan DMA dari lima sampel epoksi U-GFR dalam orientasi 0° menunjukkan "perbedaan yang signifikan dalam modulus penyimpanan dua sampel" [1].

Analisis lebih lanjut dengan mikroskop stereo menunjukkan bahwa kedua sampel "memiliki lebar deviasi > 0,5 mm dan menunjukkan perbedaan lebih dari 30% pada E'" [1], sedangkan sampel lainnya hanya menunjukkan variasi kecil. Temuan ini "sesuai dengan investigasi lain, yang melaporkan bahwa dimensi sampel sangat penting untuk keakuratan pengujian DMA lentur" [1].

Pengaruh panjang sampel

Pengaruh panjang sampel diperiksa dengan menggunakan panjang sampel yang berbeda dalam torsi. "Peningkatan panjang bentang [...] menghasilkan sudut defleksi yang lebih tinggi [...] yang diukur oleh instrumen, yang mengkompensasi panjang bentang yang lebih besar [...], menghasilkan Modulus Geser Kompleks (G*)Modulus geser adalah pengukuran kekakuan suatu bahan. modulus geser kompleks yang serupa, modulus penyimpanan dan Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan. [Berdasarkan pengamatan ini, dapat dicatat bahwa sifat viskoelastik komposit yang diukur dalam mode puntir tidak terpengaruh oleh panjang sampel, terlepas dari orientasi seratnya" [1] selama rasio lebar-ke-tebal dijaga konstan.

Secara keseluruhan, setiap metode memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing, tergantung pada jenis komposit yang diteliti. "Pembengkokan 3 titik terbukti lebih cocok untuk mendeteksi efek penting dari orientasi serat untuk epoksi yang diperkuat serat searah. [1]" Hal ini juga menunjukkan sensitivitas terhadap persiapan sampel. Kontrol yang cermat terhadap dimensi sampel diperlukan untuk konsistensi. Torsi telah terbukti memberikan hasil yang sama secara kualitatif. Namun, nilai modulus absolut tidak sesuai dengan korelasi yang diketahui. Kekuatannya dapat dilihat pada pengukuran material yang akan digunakan untuk komponen di bawah beban puntir serta untuk sampel di mana sangat sedikit material yang tersedia dan ukuran sampel perlu diminimalkan lebih lanjut.

Kata-kata tentang mengukur suhu transisi kaca

Temperatur transisi kaca dapat ditentukan secara akurat dengan kedua metode pengujian yang diteliti. Titik belok kurva E'/G' dan puncak kurva E''/G" dari kedua kurva tekuk dan torsi 3 titik dapat digunakan untuk menentukan _Tg dengan akurasi yang baik untuk komposit epoksi yang diperkuat serat karbon dan serat kaca, Gambar 1. Hal ini menyiratkan bahwa meskipun ada variasi nilai absolut dari sifat viskoelastik, ketergantungan temperatur dari transisi karakteristik tetap valid.

Sumber

[1] https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2020.106428

Afiliasi

^a Fraunhofer IGCV, Lembaga Penelitian Fraunhofer untuk Teknologi Pengecoran, Komposit dan Pengolahan IGCV, Am Technologiezentrum 2, 86159, Augsburg, Jerman

^b Universitas Ain Shams, Fakultas Teknik - Departemen Teknik Desain dan Produksi, El Sarayat Str. 1, 11517 Kairo, Mesir

LEBIH BANYAK ILMU PENGETAHUAN MATERIAL YANG DI-DEBUG