Introdução
As propriedades mecânicas dos polímeros são frequentemente aprimoradas com a adição de fibras. O aumento resultante na rigidez, na resistência e no módulo de fluência permite a realização de muitas aplicações sofisticadas. Enquanto nos testes mecânicos estáticos são usados diferentes modos de carga (EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão, pressão, cisalhamento ou flexão), na análise mecânica dinâmica (DMA) os testes são realizados quase que exclusivamente no modo de flexão devido à alta rigidez da amostra. No entanto, com o GABO High-Load DMA Eplexor®, esses materiais também podem ser testados com frequência em EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão. Nesta nota de aplicação, as diferenças entre o comportamento de um composto no modo de EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão e no modo de flexão são, portanto, discutidas em mais detalhes.
Como exemplo, foi investigado um composto de polipropileno e fibra de vidro com uma proporção de volume de fibra de 45%. Como pode ser visto na Figura 1, trata-se de uma estrutura de camadas [0/90/0/90/0/90/0] com as fibras externas na direção da carga.
Medição de DMA
As amostras tinham dimensões de 55 x 10 x 1,8 mm e são caracterizadas em EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão e flexão. Para as medições, foram usados suportes de amostras de tração reforçados, permitindo cargas de teste de até 150 N.
O teste é realizado na faixa de temperatura de -100°C a +200°C a uma taxa de aquecimento de 2 K/min. Para obter o máximo de efeitos de medição, a amostra é fixada em EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão em um comprimento livre de 35 mm. Em ambos os testes, uma amplitude de deformação dinâmica de 0,1% é definida em uma frequência de 1 Hz. No entanto, no modo de tensão, a amplitude é limitada pelo limite de força também programável de 150 N. Em ambos os testes, é programada uma força estática que se comporta proporcionalmente à força dinâmica. Como a força estática na flexão deve garantir compressão suficiente nos suportes, o fator de proporcionalidade, PF, na flexão é selected para ser um pouco maior (PF tensão 1,1, PF flexão 1,2 com FStat=PF*FDyn).
O módulo de armazenamento do material da matriz de polímero indica a Temperatura de transição do vidroA transição vítrea é uma das propriedades mais importantes dos materiais amorfos e semicristalinos, por exemplo, vidros inorgânicos, metais amorfos, polímeros, produtos farmacêuticos e ingredientes alimentícios etc., e descreve a região de temperatura em que as propriedades mecânicas dos materiais mudam de duras e quebradiças para mais macias, deformáveis ou emborrachadas.transição vítrea a -2°C, que pode ser reconhecida pelo ponto de inflexão (Figura 2). A 160°C (início extrapolado), o módulo de armazenamento diminui drasticamente e o material amolece.
É evidente que o módulo de armazenamento em flexão (curva azul) é maior do que em tensão (curva vermelha) em praticamente toda a faixa de temperatura. À temperatura ambiente (20 °C), o módulo de armazenamento medido em flexão ocorre em 27827 MPa e, portanto, é mais de 30% maior do que o valor em tensão (20406 MPa). Esse comportamento se deve à estrutura de camada assimétrica do corpo de prova (compare a Figura 1). Como as fibras externas na flexão contribuem muito mais do que o material no centro, as fibras externas na direção da carga têm um efeito de rigidez na amostra.
Esse efeito é frequentemente usado no projeto para obter alta rigidez de flexão com baixo peso. No entanto, nos testes de materiais para compósitos, esse efeito significa que um módulo medido em flexão é, estritamente falando, válido apenas para a espessura exata da amostra usada. No modo de tensão, por outro lado, as fibras individuais são carregadas uniformemente e um módulo válido para todo o corpo de prova pode ser determinado. Devido a esse efeito diferente, recomenda-se, portanto, testar os compostos de acordo com o carregamento subsequente. O DMA GABO Eplexor® oferece todas as possibilidades para isso.
Informações gerais sobre o estado de estresse do espécime
Como o comportamento diferente em tensão versus flexão se deve à estrutura interna do corpo de prova, as tensões que atuam no corpo de prova serão vistas em detalhes a seguir. A apresentação limita-se às tensões na direção longitudinal relevantes neste contexto. Para a adesão das fibras com a matriz de polímero, em particular, outras tensões também seriam de interesse.
Na mecânica de engenharia, a carga de um corpo de prova é calculada com base nas forças internas. Na tensão, uma força normal constante prevalece em todo o corpo de prova. A figura 3 mostra as forças internas para três rolamentos de flexão usados no DMA. É óbvio que a carga máxima da flexão de 3 pontos usada aqui ocorre diretamente abaixo da introdução da força central; em todos os outros lugares, prevalece uma smallcarga. Portanto, a flexão simétrica de 4 pontos também é usada para investigações de compósitos que dependem da carga [1].
As tensões internas na direção longitudinal são diretamente proporcionais ao momento de flexão e também dependem da geometria e da estrutura do corpo de prova. Assim, a tensão no corpo de prova - que varia ao longo da seção transversal - pode ser calculada em qualquer ponto do corpo de prova.
A Figura 4 mostra as tensões que atuariam com os módulos medidos no exemplo acima, na deformação nominal de 0,1% em um material homogêneo com comportamento elástico linear. Na tensão, prevalece uma tensão constante em toda a seção transversal, enquanto na flexão, o corpo de prova é carregado em compressão na parte superior e em tensão na parte inferior. Dessa forma, as deformações e tensões especificadas na flexão também sempre se referem aos valores máximos na fibra externa.
No composto em camadas, no entanto, ocorre uma distribuição de tensão muito mais complicada do que no caso do corpo de prova homogêneo. Para considerações adicionais, supõe-se, de acordo com a teoria de vigas e laminados do classical, que as áreas da seção transversal não se deformam, ou seja, que a deformação longitudinal é uniformemente distribuída na seção transversal [2].
Na medição acima, um módulo de armazenamento diferente foi medido em tensão e em flexão. Usando as fórmulas da mecânica de engenharia (para obter detalhes, consulte [2]), sabe-se como o módulo medido em tensão ou flexão é composto por esses dois componentes para uma estrutura de camada conhecida que consiste em dois materiais ou direções de fibra. Assim, as duas medições resultam em duas equações a partir das quais os dois módulos do material podem ser determinados. Como esse cálculo se baseia na suposição do modelo explicada acima e, além disso, a geometria e os valores medidos estão sujeitos a incertezas, esse procedimento pode, em princípio, resultar em desvios dos valores reais. Em uma temperatura de 20°C, um Elasticidade e módulo de elasticidadeA elasticidade da borracha ou elasticidade de entropia descreve a resistência de qualquer sistema de borracha ou elastômero contra uma deformação ou tensão aplicada externamente. módulo de armazenamento para as fibras na direção de carregamento de EІІ =38000 MPa e transversal à direção de carregamento de EІ =3700 MPa pode ser calculado dessa forma.
Esses módulos podem então ser usados para calcular as tensões na seção transversal do corpo de prova em uma determinada deformação. Os saltos resultantes no curso da tensão resultam dos diferentes módulos das camadas individuais e são típicos de compósitos de fibra. Além disso, fica claro pelo curso da tensão que as fibras externas têm um efeito particularmente forte na rigidez de flexão do corpo de prova.
Conclusão
Ao testar compósitos em flexão, a influência das camadas da superfície externa é predominante. Portanto, os resultados das medições de flexão só podem ser generalizados para outras geometrias ou casos de carga de forma insuficiente. No modo de tração, por outro lado, o corpo de prova é carregado uniformemente e apenas um módulo médio sobre a seção transversal é medido. Assim, os materiais devem sempre ser testados de acordo com a aplicação futura.
Por meio do DMA GABO Eplexor®, os compostos relativamente rígidos podem ser medidos em flexão e tensão. Como também é o caso dos testes de tração estáticos, os valores do material podem ser determinados em tensão, como preferir. Isso permite uma caracterização significativamente mais precisa e completa do material do que seria o caso com os instrumentos do smaller, nos quais as amostras rígidas podem ser medidas somente em flexão.