Inleiding
De mechanische eigenschappen van polymeren worden vaak verbeterd door vezels toe te voegen. De resulterende toename in stijfheid, sterkte en kruipmodulus maken veel geavanceerde toepassingen mogelijk. Terwijl bij statische mechanische testen verschillende belastingsmodi (spanning, druk, afschuiving of buiging) worden gebruikt, worden bij dynamische mechanische analyse (DMA) de testen bijna uitsluitend uitgevoerd in buigmodus vanwege de hoge stijfheid van het monster. Met de High-Load DMA Gabo Eplexor® kunnen deze materialen echter ook vaak in trek worden getest. In deze toepassingsnotitie wordt daarom dieper ingegaan op de verschillen tussen het gedrag van een composiet in trek- en buigmodus.
Als voorbeeld is een polypropyleen glasvezelcomposiet met een vezelvolumeaandeel van 45% onderzocht. Zoals te zien is in figuur 1, is dit een [0/90/0/90/0/90/0] lagenstructuur waarbij de buitenste vezels in de lastrichting liggen.
DMA meting
De monsters hadden afmetingen van 55 x 10 x 1,8 mm en zijn gekarakteriseerd in trek en buiging. Voor de metingen werden verstijfde trekmonsterhouders gebruikt, waardoor testbelastingen tot 150 N mogelijk waren.
De testen worden uitgevoerd in het temperatuurbereik van -100°C tot +200°C met een verwarmingssnelheid van 2 K/min. Om maximale meeteffecten te bereiken, wordt het proefstuk opgespannen tot een vrije lengte van 35 mm. In beide testen wordt een dynamische vervormingsamplitude van 0,1% ingesteld bij een frequentie van 1 Hz. In de trekmodus wordt de amplitude echter beperkt door de eveneens programmeerbare krachtlimiet van 150 N. In beide testen wordt een statische kracht geprogrammeerd die zich evenredig gedraagt met de dynamische kracht. Aangezien de statische kracht in buiging voor voldoende compressie in de steunen moet zorgen, is de proportionaliteitsfactor, PF, in buiging iets hoger gekozen (PF spanning 1,1, PF buiging 1,2 met FStat=PF*FDyn).
De Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus van het polymeermatrixmateriaal geeft de GlasovergangstemperatuurDe glasovergang is een van de belangrijkste eigenschappen van amorfe en semikristallijne materialen, zoals anorganisch glas, amorfe metalen, polymeren, farmaceutische producten en voedingsingrediënten, enz. en beschrijft het temperatuurgebied waar de mechanische eigenschappen van de materialen veranderen van hard en bros naar meer zacht, vervormbaar of rubberachtig.glasovergang aan bij -2°C, wat te herkennen is aan het buigpunt (figuur 2). Bij 160°C (geëxtrapoleerd begin) neemt de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus sterk af en wordt het materiaal zachter.
Het is duidelijk dat de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus in buiging (blauwe curve) hoger is dan in trek (rode curve) over praktisch het hele temperatuurbereik. Bij kamertemperatuur (20°C) bedraagt de Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus gemeten in buiging 27827 MPa en is dus meer dan 30% hoger dan de waarde in trek (20406 MPa). Dit gedrag is te wijten aan de asymmetrische lagenstructuur van het proefstuk (vergelijk figuur 1). Aangezien de buitenste vezels in buiging veel meer bijdragen dan het materiaal in het midden, hebben de buitenste vezels in de richting van de belasting een verstijvingseffect op het proefstuk.
Dit effect wordt vaak gebruikt in het ontwerp om een hoge buigstijfheid te bereiken met een laag gewicht. In materiaaltesten voor composieten betekent dit effect echter dat een modulus gemeten in buiging, strikt genomen, alleen geldig is voor precies de dikte van het gebruikte proefstuk. In de trekmodus daarentegen worden de individuele vezels gelijkmatig belast en kan een modulus worden bepaald die geldig is voor het hele proefstuk. Vanwege dit verschillende effect wordt het daarom aanbevolen om composieten te testen op basis van hun latere belasting. De DMA Gabo Eplexor® biedt hiervoor alle mogelijkheden.
Algemene informatie over de spanningstoestand van het proefstuk
Aangezien het verschillende gedrag in trek versus buiging te wijten is aan de interne structuur van het proefstuk, zullen de spanningen die op het proefstuk inwerken in detail bekeken worden in het volgende. De presentatie is beperkt tot de spanningen in de lengterichting die relevant zijn in deze context. Voor adhesie van de vezels met de polymeermatrix in het bijzonder, zouden andere spanningen ook van belang zijn.
In de mechanica wordt de belasting van een proefstuk berekend op basis van de interne krachten. In trekkracht heerst er een constante normaalkracht over het gehele proefstuk. Afgebeeld in figuur 3 zijn de interne krachten voor drie buiglagers die gebruikt zijn in de DMA. Het is duidelijk dat de maximale belasting van de hier gebruikte 3-punts buiging direct onder de centrale krachtinleiding optreedt; overal elders heerst een kleinere belasting. Daarom wordt de symmetrische 4-punts buiging ook gebruikt voor onderzoeken van composieten die afhankelijk zijn van belasting [1].
De interne spanningen in de lengterichting zijn recht evenredig met het buigmoment en zijn ook afhankelijk van de geometrie en structuur van het proefstuk. Op deze manier kan de spanning in het proefstuk - die varieert over de doorsnede - berekend worden op elk punt in het proefstuk.
Figuur 4 toont de spanningen die zouden optreden met de moduli gemeten in het bovenstaande voorbeeld, bij de nominale rek van 0,1% in een homogeen materiaal met lineair elastisch materiaalgedrag. In trek heerst een constante spanning over de gehele doorsnede, terwijl in buiging het proefstuk aan de bovenzijde in druk en aan de onderzijde in trek wordt belast. Dienovereenkomstig hebben de opgegeven rek en spanning in buiging ook altijd betrekking op de maximale waarden in de buitenste vezel.
In de gelaagde composiet treedt echter een veel gecompliceerdere spanningsverdeling op dan het geval is voor het homogene proefstuk. Voor verdere beschouwingen wordt in overeenstemming met de klassieke balk- en laminaattheorie aangenomen dat de dwarsdoorsneden niet kromtrekken, d.w.z. dat de rek in de lengterichting gelijkmatig verdeeld is over de dwarsdoorsnede [2].
In bovenstaande meting werd een andere Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus gemeten in trek dan in buiging. Met behulp van de formules van de engineering mechanics (voor details, zie [2]) is bekend hoe de gemeten modulus in trek of buiging is samengesteld uit deze twee componenten voor een bekende laagstructuur bestaande uit twee materialen of vezelrichtingen. De twee metingen resulteren dus in twee vergelijkingen waaruit de twee moduli van het materiaal kunnen worden bepaald. Aangezien deze berekening gebaseerd is op de modelaanname die hierboven is uitgelegd en bovendien de geometrie en de gemeten waarden onderhevig zijn aan onzekerheden, kan deze procedure in principe afwijkingen van de werkelijke waarden tot gevolg hebben. Bij een temperatuur van 20°C kan op deze manier een opslagmodulus voor de vezels in de belastingsrichting van EІІ =38000 MPa en dwars op de belastingsrichting van EІ =3700 MPa worden berekend.
Deze moduli kunnen dan gebruikt worden om de spanningen in de dwarsdoorsnede van het proefstuk bij een gegeven rek te berekenen. De resulterende sprongen in het verloop van de spanning zijn het gevolg van de verschillende moduli van de individuele lagen en zijn typisch voor vezelcomposieten. Bovendien blijkt uit het spanningsverloop dat de buitenste vezels een bijzonder sterk effect hebben op de buigstijfheid van het proefstuk.
Conclusie
Bij het testen van composieten in buiging domineert de invloed van de buitenste oppervlaktelagen. Daarom kunnen de resultaten van buigmetingen slecht gegeneraliseerd worden naar andere geometrieën of belastingsgevallen. In de trekmodus daarentegen wordt het proefstuk gelijkmatig belast en wordt alleen een module gemiddeld over de dwarsdoorsnede gemeten. Daarom moeten materialen altijd getest worden in overeenstemming met de toekomstige toepassing.
Met behulp van de DMA Gabo Eplexor® kunnen relatief stijve composieten gemeten worden in buiging en spanning. Zoals ook het geval is bij statische trekproeven, kunnen de materiaalwaarden dus bij voorkeur in trek worden bepaald. Dit maakt een aanzienlijk nauwkeurigere en volledigere karakterisering van het materiaal mogelijk dan het geval zou zijn met kleinere instrumenten, waarbij stijve proefstukken alleen in buiging kunnen worden gemeten.