Giriş
Polimerlerin mekanik özellikleri genellikle elyaf eklenerek iyileştirilir. Sertlik, mukavemet ve SürünmeSünme, sabit bir kuvvet altında zamana ve sıcaklığa bağlı plastik deformasyonu tanımlar. Bir kauçuk bileşiğine sabit bir kuvvet uygulandığında, kuvvetin uygulanması nedeniyle elde edilen ilk deformasyon sabit değildir. Deformasyon zamanla artacaktır.sürünme modülünde ortaya çıkan artış, birçok sofistike uygulamanın gerçekleştirilmesine olanak tanır. Statik mekanik testlerde farklı yük modları (çekme, basınç, kesme veya bükme) kullanılırken, dinamik mekanik analizde (DMA), yüksek numune sertliği nedeniyle testler neredeyse yalnızca bükme modunda gerçekleştirilir. Ancak Yüksek Yüklü DMA GABO Eplexor® ile bu malzemeler sıklıkla gerilme modunda da test edilebilir. Bu uygulama notunda, bir kompozitin çekme ve eğme modundaki davranışları arasındaki farklar bu nedenle daha ayrıntılı olarak ele alınmaktadır.
Örnek olarak, elyaf hacim oranı %45 olan bir polipropilen cam elyaf kompoziti incelenmiştir. Şekil 1'de görülebileceği gibi bu, dış lifleri yük yönünde uzanan bir [0/90/0/90/0/90/0] katman yapısıdır.
DMA Ölçümü
Numuneler 55 x 10 x 1,8 mm boyutlarındaydı ve çekme ve eğilmede karakterize edildi. Ölçümler için, 150 N'a kadar test yüklerine izin veren sertleştirilmiş çekme numunesi tutucuları kullanılmıştır.
Testler -100°C ila +200°C sıcaklık aralığında 2 K/dak ısıtma hızında gerçekleştirilmiştir. Maksimum ölçüm etkilerini elde etmek için, numune 35 mm'lik bir serbest uzunluğa kadar gergin olarak kelepçelenmiştir. Her iki testte de, 1 Hz frekansında %0,1'lik bir dinamik gerinim genliği ayarlanmıştır. Bununla birlikte, gerilim modunda genlik, 150 N'luk programlanabilir kuvvet sınırı ile sınırlıdır. Her iki testte de, dinamik kuvvetle orantılı olarak davranan statik bir kuvvet programlanır. Eğilmedeki statik kuvvetin desteklerde yeterli sıkıştırmayı sağlaması gerektiğinden, eğilmedeki orantılılık faktörü PF selectbiraz daha yüksek olacaktır (FStat=PF*FDyn ile PF gerilim 1.1, PF eğilme 1.2).
Polimer matris malzemesinin depolama modülü -2°C'de cam geçişini gösterir ve bu da bükülme noktasından anlaşılabilir (Şekil 2). 160°C'de (ekstrapole edilmiş başlangıç), depolama modülü keskin bir şekilde azalır ve malzeme yumuşar.
Eğilmedeki Elastikiyet ve Elastikiyet ModülüKauçuk esnekliği veya entropi esnekliği, herhangi bir kauçuk veya elastomer sistemin dışarıdan uygulanan bir deformasyon veya gerilmeye karşı direncini tanımlar. depolama modülünün (mavi eğri) neredeyse tüm sıcaklık aralığında gerilmeden (kırmızı eğri) daha yüksek olduğu açıktır. Oda sıcaklığında (20°C), eğilmede ölçülen depolama modülü 27827 MPa'da gerçekleşir ve bu nedenle gerilimdeki değerden (20406 MPa) %30 daha yüksektir. Bu davranış, numunenin asimetrik katman yapısından kaynaklanmaktadır (Şekil 1 ile karşılaştırın). Eğilmede dış lifler merkezdeki malzemeden çok daha fazla katkıda bulunduğundan, yük yönündeki dış lifler numune üzerinde sertleştirici bir etkiye sahiptir.
Bu etki, tasarımda düşük ağırlıkla yüksek eğilme sertliği elde etmek için sıklıkla kullanılır. Bununla birlikte, kompozitler için malzeme testinde, bu etki, eğilmede ölçülen bir modülün, kesin olarak, sadece tam olarak kullanılan numune kalınlığı için geçerli olduğu anlamına gelir. Öte yandan, çekme modunda, tek tek lifler eşit şekilde yüklenir ve tüm numune için geçerli bir modül belirlenebilir. Bu farklı etki nedeniyle, kompozitlerin sonraki yüklemelerine göre test edilmesi önerilir. DMA GABO Eplexor® bunun için tüm olanakları sunmaktadır.
Numunenin Stres Durumu Hakkında Genel Bilgiler
Çekme ve eğilmedeki farklı davranışlar numunenin iç yapısından kaynaklandığından, numune üzerinde etkili olan gerilmeler aşağıda ayrıntılı olarak incelenecektir. Sunum, bu bağlamda ilgili olan uzunlamasına yöndeki gerilmelerle sınırlıdır. Liflerin özellikle polimer matris ile yapışması için, diğer gerilmeler de ilgi çekici olacaktır.
Mühendislik mekaniğinde, bir numunenin yükü iç kuvvetler temelinde hesaplanır. Gerilmede, tüm numune üzerinde sabit bir normal kuvvet hakimdir. Şekil 3'te DMA'da kullanılan üç eğilme yatağı için iç kuvvetler gösterilmektedir. Burada kullanılan 3 noktalı eğilmenin maksimum yükünün doğrudan merkezi kuvvet girişinin altında meydana geldiği açıktır; diğer her yerde bir smaller yükü hakimdir. Bu nedenle, simetrik 4 noktalı eğilme de kompozitlerin yüke bağlı olarak incelenmesi için kullanılmaktadır [1].
Boylamsal yöndeki iç gerilmeler eğilme momenti ile doğru orantılıdır ve ayrıca numunenin geometrisine ve yapısına bağlıdır. Bu nedenle, numunedeki gerilme - kesit boyunca değişir - numunenin herhangi bir noktasında hesaplanabilir.
Şekil 4, yukarıdaki örnekte ölçülen modüllerle, doğrusal elastik malzeme davranışına sahip homojen bir malzemede %0,1'lik nominal gerilmede etkili olacak gerilmeleri göstermektedir. Çekmede, tüm kesit boyunca sabit bir gerilme hakimdir, eğilmede ise numune üst tarafta sıkıştırma ve alt tarafta çekme ile yüklenir. Buna göre, eğilmede belirtilen gerinimler ve gerilmeler de her zaman dış fiberdeki maksimum değerleri ifade eder.
Bununla birlikte, katmanlı kompozitte, homojen numunede olduğundan çok daha karmaşık bir gerilme dağılımı meydana gelir. Daha sonraki değerlendirmeler için, classical kiriş ve laminat teorisine uygun olarak kesit alanlarının eğilmediği, yani boylamsal gerilmenin kesit üzerinde düzgün bir şekilde dağıldığı varsayılmıştır [2].
Yukarıdaki ölçümde, gerilme durumunda eğilme durumundan farklı bir depolama modülü ölçülmüştür. Mühendislik mekaniği formülleri kullanılarak (ayrıntılar için bkz. [2]), iki malzeme veya lif yönünden oluşan bilinen bir katman yapısı için gerilim veya eğilmede ölçülen modülün bu iki bileşenden nasıl oluştuğu bilinmektedir. Böylece, iki ölçüm, malzemenin iki modülünün belirlenebileceği iki denklemle sonuçlanır. Bu hesaplama yukarıda açıklanan model varsayımına dayandığından ve buna ek olarak geometri ve ölçülen değerler belirsizliklere tabi olduğundan, bu prosedür prensipte gerçek değerlerden sapmalara neden olabilir. 20°C sıcaklıkta, EІІ =38000 MPa yükleme yönünde ve EІІ =3700 MPa yükleme yönüne enine lifler için bir depolama modülü bu şekilde hesaplanabilir.
Bu modüller daha sonra belirli bir gerilmede numunenin enine kesitindeki gerilmeleri hesaplamak için kullanılabilir. Gerilme sırasında ortaya çıkan sıçramalar, tek tek katmanların farklı modüllerinden kaynaklanır ve fiber kompozitler için tipiktir. Buna ek olarak, dış liflerin numunenin eğilme sertliği üzerinde özellikle güçlü bir etkiye sahip olduğu stresin seyrinden açıkça anlaşılmaktadır.
Sonuç
Kompozitleri eğilmede test ederken, dış yüzey katmanlarının etkisi baskındır. Bu nedenle, eğilme ölçümlerinin sonuçları yalnızca diğer geometrilere veya yük durumlarına zayıf bir şekilde genelleştirilebilir. Öte yandan, çekme modunda, numune eşit olarak yüklenir ve sadece kesit üzerinde ortalama bir modül ölçülür. Buna göre, malzemeler her zaman gelecekteki uygulamaya uygun olarak test edilmelidir.
DMA GABO Eplexor® sayesinde, nispeten sert kompozitler eğilme ve gerilmede ölçülebilir. Statik çekme testlerinde olduğu gibi, malzeme değerleri böylece tercih edildiği gibi gerilimde de belirlenebilir. Bu, malzemenin, sert numunelerin yalnızca eğilmede ölçülebildiği smaller cihazlarında olduğundan çok daha hassas ve eksiksiz bir şekilde karakterize edilmesini sağlar.