Introducere
Proprietățile mecanice ale polimerilor sunt adesea îmbunătățite prin adăugarea de fibre. Creșterea rezultată a rigidității, rezistenței și modulului de fluaj permite realizarea multor aplicații sofisticate. În timp ce în testele mecanice statice se utilizează diferite moduri de încărcare (tensiune, presiune, forfecare sau încovoiere), în analiza mecanică dinamică (DMA), testele se efectuează aproape exclusiv în modul încovoiere din cauza rigidității ridicate a probei. Cu DMA cu încărcare ridicată GABO Eplexor®, totuși, aceste materiale pot fi testate frecvent și în tensiune. Prin urmare, în această notă de aplicare sunt discutate mai detaliat diferențele dintre comportamentul unui compozit în modul de întindere față de cel de încovoiere.
Ca exemplu, a fost studiat un compozit din polipropilenă și fibre de sticlă cu o proporție volumică de fibre de 45%. După cum se poate observa în figura 1, aceasta este o structură în straturi [0/90/0/90/0/90/0], cu fibrele exterioare situate în direcția de încărcare.
Măsurarea DMA
Eșantioanele au avut dimensiuni de 55 x 10 x 1,8 mm și sunt caracterizate în tracțiune și încovoiere. Pentru măsurători, au fost utilizate suporturi de probe de tracțiune rigidizate, care permit sarcini de testare de până la 150 N.
Testarea se efectuează în intervalul de temperatură de la -100°C la +200°C, la o rată de încălzire de 2 K/min. Pentru a obține efecte maxime de măsurare, proba este fixată în tensiune la o lungime liberă de 35 mm. În ambele teste, se stabilește o amplitudine de deformare dinamică de 0,1% la o frecvență de 1 Hz. Cu toate acestea, în modul de întindere, amplitudinea este limitată de limita forței programabile de 150 N. În ambele teste, este programată o forță statică care se comportă proporțional cu forța dinamică. Deoarece forța statică la încovoiere trebuie să asigure o compresie suficientă în suporturi, factorul de proporționalitate, PF, la încovoiere este selectat să fie ceva mai mare (PF tensiune 1,1, PF încovoiere 1,2 cu FStat=PF*FDyn).
Modulul de stocare al materialului cu matrice polimerică indică tranziția vitroasă la -2°C, care poate fi recunoscută prin punctul de inflexiune (figura 2). La 160°C (debutul extrapolat), Elasticitate și modul de elasticitateElasticitatea cauciucului sau elasticitatea entropică descrie rezistența oricărui sistem de cauciuc sau elastomer la o deformare sau tensiune aplicată din exterior. modulul de stocare scade brusc, iar materialul se înmoaie.
Este evident că Elasticitate și modul de elasticitateElasticitatea cauciucului sau elasticitatea entropică descrie rezistența oricărui sistem de cauciuc sau elastomer la o deformare sau tensiune aplicată din exterior. modulul de stocare la încovoiere (curba albastră) este mai mare decât la întindere (curba roșie) practic pe întreaga gamă de temperaturi. La temperatura camerei (20°C), Elasticitate și modul de elasticitateElasticitatea cauciucului sau elasticitatea entropică descrie rezistența oricărui sistem de cauciuc sau elastomer la o deformare sau tensiune aplicată din exterior. modulul de stocare măsurat la încovoiere este de 27827 MPa și este, prin urmare, cu peste 30% mai mare decât valoarea la întindere (20406 MPa). Acest comportament se datorează structurii asimetrice în straturi a epruvetei (comparați figura 1). Deoarece fibrele exterioare la încovoiere contribuie mult mai mult decât materialul din centru, fibrele exterioare din direcția sarcinii au un efect de rigidizare a probei.
Acest efect este frecvent utilizat în proiectare pentru a obține o rigiditate ridicată la încovoiere cu o greutate redusă. Cu toate acestea, în testarea materialelor pentru compozite, acest efect înseamnă că un modul măsurat la încovoiere este, strict vorbind, valabil numai pentru exact grosimea probei utilizate. Pe de altă parte, în modul de întindere, fibrele individuale sunt încărcate uniform și se poate determina un modul valabil pentru întreaga epruvetă. Din cauza acestui efect diferit, se recomandă, prin urmare, testarea compozitelor în funcție de încărcarea lor ulterioară. DMA GABO Eplexor® oferă toate posibilitățile în acest sens.
Informații generale privind starea de tensiune a specimenului
Deoarece comportamentul diferit la întindere față de încovoiere se datorează structurii interne a epruvetei, tensiunile care acționează asupra epruvetei vor fi analizate în detaliu în cele ce urmează. Prezentarea se limitează la tensiunile în direcția longitudinală relevante în acest context. Pentru aderența fibrelor cu matricea polimerică, în special, ar fi de interes și alte tensiuni.
În mecanica inginerească, sarcina unei epruvete este calculată pe baza forțelor interne. În tensiune, o forță normală constantă predomină pe întreaga epruvetă. În figura 3 sunt reprezentate forțele interne pentru trei rulmenți de încovoiere utilizați în DMA. Este evident că sarcina maximă a încovoierii în 3 puncte utilizate aici apare direct sub introducerea forței centrale; peste tot în rest, predomină o sarcină mai mică. Prin urmare, încovoierea simetrică în 4 puncte este, de asemenea, utilizată pentru investigații ale compozitelor dependente de sarcină [1].
Tensiunile interne în direcția longitudinală sunt direct proporționale cu momentul de încovoiere și depind, de asemenea, de geometria și structura epruvetei. Astfel, tensiunea din epruvetă - care variază în funcție de secțiunea transversală - poate fi calculată în orice punct al epruvetei.
Figura 4 prezintă tensiunile care ar acționa cu modulele măsurate în exemplul de mai sus, la o deformație nominală de 0,1%, într-un material omogen cu comportament liniar elastic. La întindere, prevalează o tensiune constantă pe întreaga secțiune transversală, în timp ce la încovoiere, epruveta este încărcată în compresiune pe partea superioară și în tensiune pe partea inferioară. În consecință, deformațiile și tensiunile specificate la încovoiere se referă întotdeauna și la valorile maxime din fibra exterioară.
Cu toate acestea, în compozitul stratificat apare o distribuție a tensiunilor mult mai complicată decât în cazul probei omogene. Pentru considerații suplimentare, se presupune, în conformitate cu teoria clasică a grinzilor și a laminatelor, că suprafețele secțiunii transversale nu se deformează, și anume, că deformarea longitudinală este distribuită uniform pe secțiunea transversală [2].
În măsurarea de mai sus, a fost măsurat un modul de stocare diferit la întindere decât la încovoiere. Utilizând formulele mecanicii inginerești (pentru detalii, a se vedea [2]), se știe cum modulul măsurat la întindere sau la încovoiere este compus din aceste două componente pentru o structură de strat cunoscută constând din două materiale sau direcții de fibre. Astfel, cele două măsurători rezultă în două ecuații din care pot fi determinate cele două module ale materialului. Deoarece acest calcul se bazează pe ipoteza modelului explicată mai sus și, în plus, geometria și valorile măsurate sunt supuse unor incertitudini, această procedură poate duce, în principiu, la abateri de la valorile reale. La o temperatură de 20°C, se poate calcula astfel un modul de stocare pentru fibre în direcția de încărcare de EІІ =38000 MPa și transversal față de direcția de încărcare de EІ =3700 MPa.
Aceste module pot fi apoi utilizate pentru a calcula tensiunile în secțiunea transversală a epruvetei la o deformație dată. Salturile rezultate în cursul tensiunii rezultă din modulele diferite ale straturilor individuale și sunt tipice pentru compozitele din fibre. În plus, din evoluția tensiunii reiese clar că fibrele exterioare au un efect deosebit de puternic asupra rigidității la încovoiere a specimenului.
Concluzie
La testarea compozitelor la încovoiere, domină influența straturilor de pe suprafața exterioară. Prin urmare, rezultatele măsurătorilor la încovoiere nu pot fi generalizate la alte geometrii sau cazuri de încărcare decât în mică măsură. În modul tracțiune, pe de altă parte, epruveta este încărcată uniform și se măsoară doar un modul mediu pe secțiunea transversală. În consecință, materialele ar trebui să fie întotdeauna testate în conformitate cu viitoarea aplicație.
Cu ajutorul DMA GABO Eplexor®, compozitele relativ rigide pot fi măsurate la încovoiere și tracțiune. Ca și în cazul încercărilor statice la tracțiune, valorile materialului pot fi astfel determinate în tensiune, după preferință. Acest lucru permite o caracterizare semnificativ mai precisă și mai completă a materialului decât ar fi cazul cu instrumente mai mici, în care probele rigide pot fi măsurate numai în încovoiere.