Introduzione
Le proprietà meccaniche dei polimeri vengono spesso migliorate con l'aggiunta di fibre. L'aumento della rigidità, della resistenza e del modulo di scorrimento che ne deriva consente di realizzare molte applicazioni sofisticate. Mentre nelle prove meccaniche statiche si utilizzano diverse modalità di carico (tensione, pressione, taglio o flessione), nell'analisi meccanica dinamica (DMA) i test vengono eseguiti quasi esclusivamente in modalità di flessione a causa dell'elevata rigidità del campione. Con il DMA GABO High-Load Eplexor®, tuttavia, questi materiali possono essere spesso testati anche in trazione. In questa nota applicativa, le differenze tra il comportamento di un composito in trazione e quello in flessione sono discusse in modo più dettagliato.
A titolo di esempio, è stato analizzato un composito polipropilene-fibra di vetro con una proporzione in volume di fibre del 45%. Come si può vedere nella figura 1, si tratta di una struttura a strati [0/90/0/90/0/90/0] con le fibre esterne nella direzione del carico.
Misura DMA
I campioni avevano dimensioni di 55 x 10 x 1,8 mm e sono stati caratterizzati in trazione e flessione. Per le misurazioni, sono stati utilizzati portacampioni di trazione irrigiditi, che hanno consentito carichi di prova fino a 150 N.
Le prove vengono eseguite nell'intervallo di temperatura compreso tra -100°C e +200°C, con una velocità di riscaldamento di 2 K/min. Per ottenere i massimi effetti di misura, il provino viene bloccato in tensione per una lunghezza libera di 35 mm. In entrambe le prove, viene impostata un'ampiezza di deformazione dinamica dello 0,1% a una frequenza di 1 Hz. In modalità di trazione, tuttavia, l'ampiezza è limitata dalla forza limite, anch'essa programmabile, di 150 N. In entrambe le prove, viene programmata una forza statica che si comporta in modo proporzionale alla forza dinamica. Poiché la forza statica in flessione deve garantire una compressione sufficiente nei supporti, il fattore di proporzionalità, PF, in flessione è selectun po' più alto (PF tensione 1,1, PF flessione 1,2 con FStat=PF*FDyn).
Il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo del materiale a matrice polimerica indica la transizione vetrosa a -2°C, riconoscibile dal punto di inflessione (figura 2). A 160°C (inizio estrapolato), il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo diminuisce bruscamente e il materiale si ammorbidisce.
È evidente che il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo in flessione (curva blu) è più alto di quello in trazione (curva rossa) praticamente in tutto l'intervallo di temperatura. A temperatura ambiente (20°C), il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo misurato in flessione è pari a 27827 MPa ed è quindi superiore di oltre il 30% rispetto al valore in trazione (20406 MPa). Questo comportamento è dovuto alla struttura a strati asimmetrica del provino (confrontare la figura 1). Poiché le fibre esterne in flessione contribuiscono molto di più del materiale al centro, le fibre esterne nella direzione del carico hanno un effetto di irrigidimento sul campione.
Questo effetto è spesso utilizzato nella progettazione per ottenere un'elevata rigidità a flessione con un peso ridotto. Nelle prove sui materiali compositi, tuttavia, questo effetto significa che un modulo misurato in flessione è, a rigore, valido solo per lo spessore esatto del provino utilizzato. In modalità di trazione, invece, le singole fibre vengono caricate uniformemente e si può determinare un modulo valido per l'intero provino. A causa di questo diverso effetto, si raccomanda quindi di testare i compositi in base al loro carico successivo. Il DMA GABO Eplexor® offre tutte le possibilità in tal senso.
Informazioni generali sullo stato di sollecitazione del campione
Poiché il diverso comportamento in trazione rispetto a quello in flessione è dovuto alla struttura interna del provino, nel seguito verranno analizzate in dettaglio le sollecitazioni che agiscono sul provino. La presentazione è limitata alle sollecitazioni in direzione longitudinale rilevanti in questo contesto. In particolare, per l'adesione delle fibre alla matrice polimerica, sarebbero interessanti anche altre sollecitazioni.
In meccanica ingegneristica, il carico di un provino viene calcolato sulla base delle forze interne. In tensione, una forza normale costante prevale sull'intero provino. Nella figura 3 sono rappresentate le forze interne per tre appoggi a flessione utilizzati nel DMA. È evidente che il carico massimo della flessione a 3 punti qui utilizzata si verifica direttamente sotto l'introduzione della forza centrale; in tutti gli altri punti prevale un carico smaller. Pertanto, la flessione simmetrica a 4 punti viene utilizzata anche per le indagini sui compositi dipendenti dal carico [1].
Le sollecitazioni interne in direzione longitudinale sono direttamente proporzionali al momento flettente e dipendono anche dalla geometria e dalla struttura del provino. Pertanto, la sollecitazione nel provino - che varia lungo la sezione trasversale - può essere calcolata in qualsiasi punto del provino.
La Figura 4 mostra le sollecitazioni che agiscono con i moduli misurati nell'esempio precedente, alla deformazione nominale dello 0,1% in un materiale omogeneo con comportamento elastico lineare. In trazione, prevale una sollecitazione costante su tutta la sezione trasversale, mentre in flessione il provino è caricato in compressione sul lato superiore e in tensione sul lato inferiore. Di conseguenza, anche le deformazioni e le sollecitazioni specificate in flessione si riferiscono sempre ai valori massimi nella fibra esterna.
Nel composito stratificato, tuttavia, si verifica una distribuzione delle sollecitazioni molto più complicata rispetto al caso del provino omogeneo. Per ulteriori considerazioni, in accordo con la teoria delle travi e dei laminati di classical, si assume che le aree trasversali non si deformino, cioè che la deformazione longitudinale sia uniformemente distribuita sulla sezione trasversale [2].
Nella misurazione di cui sopra, è stato misurato un Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo diverso in trazione rispetto a quello in flessione. Utilizzando le formule della meccanica ingegneristica (per i dettagli, si veda [2]), è noto come il modulo misurato in trazione o in flessione sia composto da queste due componenti per una struttura a strati nota costituita da due materiali o direzioni di fibre. Pertanto, le due misurazioni danno luogo a due equazioni dalle quali è possibile determinare i due moduli del materiale. Poiché questo calcolo si basa sull'ipotesi di modello spiegata sopra e, inoltre, la geometria e i valori misurati sono soggetti a incertezze, questa procedura può portare a deviazioni dai valori reali in linea di principio. Alla temperatura di 20°C, è possibile calcolare un modulo di accumulo per le fibre nella direzione di carico di EІІ =38000 MPa e trasversale alla direzione di carico di EІ =3700 MPa.
Questi moduli possono poi essere utilizzati per calcolare le sollecitazioni nella sezione trasversale del provino a una determinata deformazione. I salti risultanti nell'andamento delle sollecitazioni derivano dai diversi moduli dei singoli strati e sono tipici dei compositi a fibre. Inoltre, dall'andamento delle sollecitazioni risulta chiaro che le fibre esterne hanno un effetto particolarmente forte sulla rigidità a flessione del provino.
Conclusione
Quando si testano i compositi a flessione, prevale l'influenza degli strati superficiali esterni. Pertanto, i risultati delle misurazioni a flessione possono essere generalizzati ad altre geometrie o casi di carico solo in modo insufficiente. In trazione, invece, il provino viene caricato uniformemente e viene misurato solo un modulo medio sulla sezione trasversale. Di conseguenza, i materiali devono sempre essere testati in base all'applicazione futura.
Con il DMA GABO Eplexor® è possibile misurare compositi relativamente rigidi in flessione e in trazione. Come avviene anche per le prove statiche di trazione, i valori del materiale possono essere determinati in tensione, come preferibile. Ciò consente una caratterizzazione molto più precisa e completa del materiale rispetto agli strumenti smaller, in cui i campioni rigidi possono essere misurati solo in flessione.