Wprowadzenie
Właściwości mechaniczne polimerów są często poprawiane poprzez dodanie włókien. Wynikający z tego wzrost sztywności, wytrzymałości i modułu pełzania pozwala na realizację wielu wyrafinowanych zastosowań. Podczas gdy w statycznych testach mechanicznych stosowane są różne tryby obciążenia (rozciąganie, nacisk, ścinanie lub zginanie), w dynamicznej analizie mechanicznej (DMA) testy są prawie wyłącznie przeprowadzane w trybie zginania ze względu na wysoką sztywność próbki. Dzięki High-Load DMA GABO Eplexor®, materiały te mogą być jednak często badane również w trybie rozciągania. W niniejszej nocie aplikacyjnej bardziej szczegółowo omówiono różnice między zachowaniem kompozytu w trybie rozciągania i zginania.
Jako przykład zbadano kompozyt polipropylenu z włóknem szklanym o udziale objętościowym włókien 45%. Jak widać na rysunku 1, jest to struktura warstwowa [0/90/0/90/0/90/0] z włóknami zewnętrznymi leżącymi w kierunku obciążenia.
Pomiar DMA
Próbki miały wymiary 55 x 10 x 1,8 mm i zostały scharakteryzowane pod kątem rozciągania i zginania. Do pomiarów wykorzystano usztywnione uchwyty próbek do rozciągania, pozwalające na NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.obciążenie testowe do 150 N.
Testy przeprowadzono w zakresie temperatur od -100°C do +200°C przy szybkości nagrzewania 2 K/min. W celu uzyskania maksymalnych efektów pomiarowych, próbka została zaciśnięta na rozciąganie do długości 35 mm. W obu testach amplituda odkształcenia dynamicznego wynosi 0,1% przy częstotliwości 1 Hz. W trybie rozciągania amplituda jest jednak ograniczona przez programowalny limit siły wynoszący 150 N. W obu testach zaprogramowana jest siła statyczna, która zachowuje się proporcjonalnie do siły dynamicznej. Ponieważ siła statyczna przy zginaniu musi zapewniać wystarczającą kompresję w podporach, współczynnik proporcjonalności PF przy zginaniu jest selected nieco wyższy (PF rozciągania 1,1, PF zginania 1,2 z FStat=PF*FDyn).
Moduł sprężystościModuł zespolony (składnik sprężysty), moduł magazynowania lub G', jest "rzeczywistą" częścią ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten składnik sprężysty wskazuje na stałą lub fazową reakcję mierzonej próbki. Moduł sprężystości materiału matrycy polimerowej wskazuje naPunkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście szkliste w temperaturze -2°C, co można rozpoznać po punkcie przegięcia (rysunek 2). W temperaturze 160°C (ekstrapolowany początek) Elastyczność i moduł sprężystościElastyczność gumy lub elastyczność entropijna opisuje odporność dowolnego układu gumy lub elastomeru na zewnętrznie przyłożone odkształcenie lub naprężenie. moduł magazynowania gwałtownie spada, a materiał mięknie.
Jest oczywiste, że Moduł sprężystościModuł zespolony (składnik sprężysty), moduł magazynowania lub G', jest "rzeczywistą" częścią ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten składnik sprężysty wskazuje na stałą lub fazową reakcję mierzonej próbki. moduł sprężystości przy zginaniu (niebieska krzywa) jest wyższy niż przy rozciąganiu (czerwona krzywa) praktycznie w całym zakresie temperatur. W temperaturze pokojowej (20°C) Moduł sprężystościModuł zespolony (składnik sprężysty), moduł magazynowania lub G', jest "rzeczywistą" częścią ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten składnik sprężysty wskazuje na stałą lub fazową reakcję mierzonej próbki. moduł sprężystości przy zginaniu wynosi 27827 MPa i jest o ponad 30% wyższy niż przy rozciąganiu (20406 MPa). Takie zachowanie wynika z asymetrycznej struktury warstwowej próbki (porównaj rysunek 1). Ponieważ włókna zewnętrzne podczas zginania wnoszą znacznie większy wkład niż materiał w środku, włókna zewnętrzne w kierunku obciążenia mają efekt usztywniający próbkę.
Efekt ten jest często wykorzystywany w projektowaniu w celu osiągnięcia wysokiej sztywności zginania przy niskiej masie. W badaniach materiałów kompozytowych efekt ten oznacza jednak, że moduł mierzony przy zginaniu jest, ściśle rzecz biorąc, ważny tylko dla dokładnie takiej grubości próbki, jaka została użyta. Z drugiej strony, w trybie rozciągania poszczególne włókna są obciążane równomiernie i można określić moduł dla całej próbki. Ze względu na ten różny efekt zaleca się zatem testowanie kompozytów zgodnie z ich późniejszym obciążeniem. Urządzenie DMA GABO Eplexor® oferuje wszystkie możliwości w tym zakresie.
Ogólne informacje na temat stanu naprężenia próbki
Ponieważ różne zachowanie przy rozciąganiu i zginaniu wynika z wewnętrznej struktury próbki, naprężenia działające na próbkę zostaną szczegółowo omówione poniżej. Prezentacja jest ograniczona do naprężeń w kierunku wzdłużnym istotnych w tym kontekście. W szczególności w przypadku adhezji włókien do matrycy polimerowej, inne naprężenia również mogą być interesujące.
W mechanice inżynieryjnej NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.obciążenie próbki jest obliczane na podstawie sił wewnętrznych. Przy rozciąganiu w całej próbce panuje stała siła normalna. Na rysunku 3 przedstawiono siły wewnętrzne dla trzech łożysk zginanych stosowanych w DMA. Oczywiste jest, że maksymalne NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.obciążenie zastosowanego tutaj 3-punktowego zginania występuje bezpośrednio poniżej centralnego wprowadzenia siły; wszędzie indziej dominuje NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.obciążenie smaller. Dlatego symetryczne zginanie 4-punktowe jest również wykorzystywane do badań kompozytów zależnych od obciążenia [1].
Naprężenia wewnętrzne w kierunku wzdłużnym są wprost proporcjonalne do momentu zginającego, a także zależą od geometrii i struktury próbki. W ten sposób naprężenie w próbce - które zmienia się w przekroju poprzecznym - można obliczyć w dowolnym punkcie próbki.
Rysunek 4 przedstawia naprężenia, które działałyby przy modułach zmierzonych w powyższym przykładzie, przy nominalnym odkształceniu 0,1% w jednorodnym materiale o liniowym zachowaniu sprężystym. Przy rozciąganiu w całym przekroju panuje stałe naprężenie, podczas gdy przy zginaniu próbka jest obciążana ściskaniem w górnej części i rozciąganiem w dolnej części. W związku z tym określone odkształcenia i naprężenia podczas zginania również zawsze odnoszą się do maksymalnych wartości w zewnętrznym włóknie.
W kompozycie warstwowym występuje jednak znacznie bardziej skomplikowanyReakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład naprężeń niż w przypadku próbki jednorodnej. W dalszych rozważaniach zakłada się zgodnie z classical teorią belki i laminatu, że obszary przekroju poprzecznego nie wypaczają się, tj. że odkształcenie wzdłużne jest równomiernie rozłożone w przekroju poprzecznym [2].
W powyższym pomiarze zmierzono inny Moduł sprężystościModuł zespolony (składnik sprężysty), moduł magazynowania lub G', jest "rzeczywistą" częścią ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten składnik sprężysty wskazuje na stałą lub fazową reakcję mierzonej próbki. moduł sprężystości przy rozciąganiu niż przy zginaniu. Korzystając ze wzorów mechaniki inżynierskiej (szczegóły patrz [2]), wiadomo, w jaki sposób zmierzony moduł przy rozciąganiu lub zginaniu składa się z tych dwóch składników dla znanej struktury warstwowej składającej się z dwóch materiałów lub kierunków włókien. W ten sposób dwa pomiary dają dwa równania, na podstawie których można określić dwa moduły materiału. Ponieważ obliczenia te opierają się na założeniu modelowym wyjaśnionym powyżej, a ponadto geometria i zmierzone wartości podlegają niepewnościom, procedura ta może zasadniczo powodować odchylenia od rzeczywistych wartości. W temperaturze 20°C można w ten sposób obliczyć Elastyczność i moduł sprężystościElastyczność gumy lub elastyczność entropijna opisuje odporność dowolnego układu gumy lub elastomeru na zewnętrznie przyłożone odkształcenie lub naprężenie. moduł magazynowania dla włókien w kierunku obciążenia EІІ =38000 MPa i w kierunku poprzecznym do kierunku obciążenia EІ =3700 MPa.
Moduły te można następnie wykorzystać do obliczenia naprężeń w przekroju próbki przy danym odkształceniu. Powstałe skoki w przebiegu naprężeń wynikają z różnych modułów poszczególnych warstw i są typowe dla kompozytów włóknistych. Ponadto, z przebiegu naprężeń jasno wynika, że włókna zewnętrzne mają szczególnie silny wpływ na sztywność zginania próbki.
Wnioski
Podczas badania kompozytów na zginanie dominuje wpływ zewnętrznych warstw powierzchniowych. Dlatego wyniki pomiarów zginania mogą być uogólnione na inne geometrie lub przypadki obciążeń tylko w niewielkim stopniu. Z drugiej strony, w trybie rozciągania próbka jest równomiernie obciążona i mierzony jest tylko moduł uśredniony w przekroju poprzecznym. W związku z tym materiały powinny być zawsze testowane zgodnie z przyszłym zastosowaniem.
Za pomocą urządzenia DMA GABO Eplexor® można mierzyć stosunkowo sztywne kompozyty podczas zginania i rozciągania. Podobnie jak w przypadku statycznych prób rozciągania, wartości materiałowe mogą być określane przy rozciąganiu, zgodnie z preferencjami. Pozwala to na znacznie dokładniejszą i pełniejszą charakterystykę materiału niż w przypadku przyrządów smaller, w których sztywne próbki można mierzyć tylko przy zginaniu.