Тестирование платформы на прочность исследований полимеров и армированных волокном полимерных композитов под Одновременно Hygrothermo-механические стимулы
Summary
The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites in service is a critical aspect for their designs and condition-based maintenance. We present a novel low-cost laboratory testing platform for the investigation of the influence of concurrent mechanical and environmental loadings, and may help design more efficient yet safer composite structures.
Abstract
Долговечность полимеров и армированных волокнами полимерных композитов при условии обслуживания является важным аспектом для рассмотрения на их прочной конструкции и в зависимости от состояния технического обслуживания. Эти материалы будут приняты в широком диапазоне инженерных приложений, от авиационных и судовых конструкций, к мостам, лопастей ветряных турбин, биоматериалов и биомедицинской имплантатов. Полимеры вязкоупругих материалов, и их реакция может быть весьма нелинейным и, таким образом, сделать это сложно предсказать и контролировать их выполнение в процессе эксплуатации. Лабораторная проверка платформа, представленные здесь, помогает исследование влияния параллельных механических нагрузок и условий окружающей среды на этих материалов. Платформа была разработана, чтобы быть недорогой и удобный. Его химически стойкие материалы делают платформа адаптируется к изучению химической деградации из-за находящихся в эксплуатации воздействия жидкостей. Пример эксперимента было проведено при комнатной температуре на закрытых ячеек, полиуретанаОбразцы пены нагружают грузом, соответствующей ~ 50% от их конечного статического и сухой нагрузкой. Результаты показывают, что испытательный аппарат подходит для этих исследований. Результаты также указывают на большую уязвимость полимера при одновременной погрузки, на основе высших перемещений средней точки и нижних остаточных нагрузок недостаточности. Даны рекомендации для дополнительных улучшений устройства для тестирования.
Introduction
Полимерные и армированный волокном полимера (FRP) композитов были приняты в различных сооружений, начиная от самолетов и космических аппаратов, морских судов, гражданской инфраструктуры, (см примеры обзоров Katnam др. 1, 2, Hollaway Mouritz и др . 3), автомобили и поезда, лопастей ветряных турбин, протезирования и биоматериалов для наложения швов и имплантатов. Долговечность этих материалов »зависит от сложных сценариев обслуживания, которые могут включать в себя комбинацию) термо-механической нагрузки, например, циклам таяния замораживания в гражданской инфраструктуры 4, дозвуковой / сверхзвуковой полет анкеты 5, носить в металлическом ценных полиэтилена 6) ; б) деградация из-за экологических и химических агентов, например, морская вода, антиобледенительных, гидравлические жидкости для аэрокосмической и военно-морских структур 7-10, деградация полиметилметакрилата стоматологических композитов из-за слюны 11; в) комплекс интеractions материалов в закрепленных или клеевых соединений, например, гальванической коррозии и нарушение сцепления между разнородными материалами, то ли в углерод / оптический патч ремонта на самолете алюминия кожи, или углерода / PEEK костяной пластинке, прикрепленной нержавеющей стали 12.
Там, к сожалению, ограниченные знания о влиянии одновременно находящихся в эксплуатации стимулов на длительный срок службы этих материалов. Большинство полимеров могут быть классифицированы как вязкоупругих материалов. Механические нагрузки и условий окружающей среды оказывают существенное влияние вязкоупругих ответ полимеров. Таким образом, надежные модели для долгосрочного поведения этих материалов "должны быть в состоянии включить зависящие от времени ответы на сочетании Гигротермальные, механических, химических раздражителей. Это, в свою очередь, позволит улучшить дизайн предсказания, сохранность и состояние-техническое обслуживание / запасные протоколы.
Существует большое количество литературы орган по экспериментальной проверке по воздействию гигротермальные, Например, гигротермальные испытаний диффузии: если масштаб образцов позволяет, материальные образцы могут быть расположены в камере на желаемом уровне влажности и температуры. Образцы отбирали периодически для измерения их массы и / или объема изменений для определенного времени, от нескольких недель до нескольких лет 10,13-17. Тест Гигротермические может сопровождаться механических испытаний, т.е. остаточной прочности статического / усталость / тестирование механики разрушения 17-19, который только дает информацию о том, гигротермического раздражителя на механических реакций материалов. Тестовые данные могут быть установлены на диффузии моделей различной сложности, от простого диффузии Фика для моделей, которые включают зависимость от концентрации, стресс, температуры, обратимой физического старения / пластификации и необратимые химические реакции. Этот экспериментальный выход может быть дополнительно включены в структурного анализа.
Мало авторы обратились влияние одновременного HYgrothermal и механические раздражители. Среди тех, исследующих FRP композитов, Нейман и Garom 20 погружен ударные и безударные экземпляры в дистиллированной воде. Стресс наносили путем установки образцов внутри сжатых пружин из нержавеющей стали, настройка нагрузки с помощью различных пружинные жесткости и сжимающие нагрузки. Аналогичную процедуру сообщает Ван и др., 21. Helbling и Karbhari 22 использовали изгиба арматуры внутри климатической камеры для различных процентах относительной влажности (RH%) и температурных уровней. После предварительной обработки образцы были подвергнуты заданной изгиба уровне штамма, соответствующей процентах от статического предельной деформации при растяжении для этого композита. Kasturiarachchi и Pritchard 23 получают из нержавеющей стали 4-точка изгиба зажим (по одному на образце), который был расположенный на полке в большом стеклянном эксикаторе. Эксикатор был частично заполнен дистиллированной водой, были небольшие утечки, чтобы предотвратить Буildup давления и помещали во влажную камеру при 95% относительной влажности. Геллерт и Терли 7 исследовали морской класса FRP композитных образцов для их долговечности в сочетании ползучести загрузки и 100% относительной влажности. Их образцы были загружены в 4-точечного изгиба при постоянной нагрузке, равной 20% от статической нагрузки отказа изгиба, при этом полностью погружают в морскую воду. Прогиб ползучести была приобретена периодически с помощью толщиномера между наружной поверхности пучка в центре поперечного сечения, и стеклянную пластину (делается вывод, что такое измерение проводили вне камеры). Abdel-Magid и др. 24 помещают образцы стекла / эпоксидной смолы в инвара окружающей приспособление, которое, представленной НАСА Langley, как образцы были загружены на растяжение вдоль направления волокон, при 20% от предельной нагрузки осевого. Ellyin и Rohrbarcher 25 побежал Гигротермальные испытания до 140 дней, а затем проверили образцы в усталости на гидравлические испытания машины. Образецс заворачивали в мокрую ткань сыра, соединенного с трубкой и водоснабжения. Граф и др. 26 позиционируется их загрузки прибор и образцы в большом климатическую камеру (5,5 м 3).
Как уже говорилось во многих экспериментальных исследований, условия окружающей среды влияют на механические свойства и ответы полимеров. Некоторые ограниченные эксперименты также показали, что наличие механической напряжения / деформации влияет на процесс диффузии в полимерах. Таким образом, для улучшения понимания на общую производительность полимерных материалов на основе по механическим и без механических воздействий, есть необходимость одновременного тестирования.
Были несколько целей, которые стоят конструкции испытательной платформы обсуждения в данной статье. Во-первых, платформа является частью экспериментальной установки в многолетней расследования по hygrothermo-механического поведения различных типов сэндвич-FRP композитов для ветряных турбин A Aй военно-морские инженерные приложения. Данные испытаний используются для калибровки параметров в вязкоупругих определяющие уравнения для полимерных композитов. Материальные модели основываются на работы, разработанной на протяжении многих лет по Muliana и сотрудников 27-30. Вторая цель была иметь низкую стоимость и удобный платформу тестирования, например, один, который может быть легко перемещено в лаборатории (например, в масштабе для измерений массы, или к источнику жидкости, например, идущему из крана, в fumehood или горючих шкафу). Третья цель заключалась в создании платформу тестирования, которая устойчива к ряду химических веществ, широко используемых в службе (в частности, гидравлической жидкости против обледенения,, чистящие растворы для авиационно-космической промышленности 8-10), таким образом, образцы могут быть погружены в таких веществ, а их прочность может быть оценена.
Камера (рис 1) был построен с высокой плотностью polyethyleNE, который имеет высокую химическую стойкость. Как уже упоминалось выше, ожидается, что будущая работа будет включать в себя hygrothermo-механические исследования композитов, погруженных в гидравлической жидкости против обледенения,, чистящие растворы. Поскольку тепловое регулирование является неотъемлемой частью испытаний, пенополистирол пенопласт соответствует вокруг сторон резервуара и закреплены на месте с помощью ленты и самой стальной раме, чтобы предотвратить теплообмен с окружающей средой.
Крышка камеры (рис 2) был изготовлен из прозрачного, 9,525 мм толщиной поликарбоната, благодаря чему пользователи смогут наблюдать образцов в процессе испытаний, не нарушая тест. Крышка крепится на месте с помощью алюминиевых Т-баров, которые были обработаны, чтобы скользить под нависающими кронштейны на сторонах бака.
Изгиб в образцах будет принят тремя алюминиевыми блоками, которые свисают с крышкой, и крепятся в пазах в крышке. Три блоки позволяют до четырех сpecimens быть проверены одновременно, в то время как крышка слота позволяют интервал блока должны быть отрегулированы в зависимости от длины образцов. Каждый блок округляется в краю контакта к диаметру 12,7 мм, при строгом соблюдении стандарта ASTM D790-10. Образцы расположены под две из трех блоков, с направленной вверх силы, приложенной в ее центре, чтобы вызвать изгиб (фиг.1-2).
Аппарат был разработан с максимальной универсальности и легкости в использовании в виду. Ролики с диаметром 41,275 мм крепятся под камеры для целей мобильности. Над ними, резервуар поддерживается сварного стальной раме с нижней проволочной сетки и поперечных балок для поддержки. Угловые фондовые проставки для наружных углов танковых были изготовлены, чтобы сохранить изоляцию от сдавливания воздушных веса и смещения датчиков (String горшок аппарата, ниже). Вокруг вершины, угол акции была вновь использована для кадрирования. Тали и потенциометра строка системам measuRe середины пролета прогиб установлены на четырех стали, арки квадратных труб (рис 3). Центральные две арки из этих четырех нести строки потенциометров и регулируется, чтобы объяснить образца универсальности. Строка потенциометры были построены с помощью собой торсионную пружину (как может быть найден в выдвижных ключевых ремешки) и потенциометров с триединой электронных выходов. Шкивы выровнены и установлены для использования с стальным тросом, идущему от жесткой связи на нее образца к стержню висит над стороны камеры для применения регулируемой веса.
Нагрузка на образец с помощью серии кабелей, шкивов, связей и болтов. Во-первых, образец помещают в U-болт так, чтобы 10 мм перекладина связывается с середины пролета. 9,525 мм Диаметр стальной стержень с рым-болты на каждом конце затем подключен к U-образного болта. Это соединение стали проходит через крышку камеры. Стальной трос и кевлара тhread крепятся к рым-болт напротив U-образного болта. Это позволяет Kevlar нить от потенциометра строки для считывания данных с жесткого точки. Стальной трос продолжает вверх и проходит через два шкива, которые позволяют нагрузка для применения на периферии резервуара. Затем кабель прикреплен к 9,525 мм Диаметр стального стержня, который служит в качестве щелевого вешалки веса. Это вешалка предоставляет место, где щелевые веса может быть установлен для того, чтобы применить нужный груз.
Protocol
Representative Results
Discussion
Из полученных данных, можно видеть, что одновременно сценарий проверки же влияет на долговечность образцов пенополиуретана с закрытыми порами. Это можно увидеть, сравнивая значительно различные смещения (рисунок 5) и остаточные нагрузки на провал (рис 6) сухих и влажн?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят Судьба Гарсия, Серена Ферраро, Эрик Quiroz и Стивен Керн (Advanced Composites в науке, технике и научной лаборатории) за их помощь в проектировании и производстве испытательной установки. Шон Мэлоун, Майкл Akahori, Дэвид Kehlet (Engineering Изготовление Lab) признаны за их предложения и помощь в процессе обработки. Поддержка Национального научного фонда (совместный грант CMMI-1265691 и его РЭУ дополнение) и Управление военно-морских исследований (N00014-13-1-0604 А. Muliana, штат Техас & M University (руководитель), В. La Saponara , управляемый программный директор Yapa Раджапаксе) с благодарностью оценили.
Materials
| Name of Material/ | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Equipment | |||
| Aluminum 6061 rectangular bars | McMaster-Carr, USA | 8975K268, 1668T72, 7062T17, | Part of testing platform |
| Aluminum 6061 90 deg. angles | McMaster-Carr, USA | 8982K91, 8982K14 | Part of testing platform |
| 440C stainless steel | McMaster-Carr, USA | 6253K52 | Part of testing platform |
| High-density polyethylene sheets | Tap Plastics, USA | N/A (0.236 in. thick x 10.75 in. wide x 16.75 in. long) | Part of testing platform |
| High-density polyethylene sheets | Tap Plastics, USA | N/A (0.354 in. thick x 6 in. wide x 10 in. long) | Part of testing platform |
| High-density polyethylene sheets | Tap Plastics, USA | N/A (0.354 in. thick x 6 in. wide x 16.75 in. long) | Part of testing platform |
| Polycarbonate sheets | Tap Plastics, USA | N/A (0.375 in thick, 11.5 in. wide, 17.5 in long) | Part of testing platform |
| Expanded polystyrene foam | Home Depot | Model # 310880 Internet # 202532855 | Part of testing platform |
| Galvanized steel rope | McMaster-Carr, USA | 3498T63 | Part of testing platform |
| Steel eye bolt | McMaster-Carr, USA | 3013T341 | Part of testing platform |
| Low-carbon steel 90 deg. angle | McMaster-Carr, USA | 9017K444 | Part of testing platform |
| Low-carbon steel rods | McMaster-Carr, USA | 8920K84, 8920K75, 8920K231, 8920K135, 8920K84 | Part of testing platform |
| Low-carbon steel tubes | McMaster-Carr, USA | 6527K314, 8910K394, 8910K395, 8920K94 | Part of testing platform |
| 304 stainless steel U-bolt | McMaster-Carr, USA | 8896T104 | Part of testing platform |
| Steel pulley | McMaster-Carr, USA | 3099T34 | Part of testing platform |
| 1008 carbon steel sheets | McMaster-Carr, USA | 9302T113 | Part of testing platform |
| Light duty swivel casters | Harbor Freight, USA | 41519 | Part of testing platform |
| 100-lbf Vinyl Weight Set | Overstock.com | 11767059 | Part of testing platform |
| Closed-cell polyurethane foam | General Plastics, USA | FR-3704 | Testing samples |
| Deionized water | Faucet, PurLab filtering system | N/A | Conditioning fluid of tank |
| Torsional spring | Retractable Key Clip, Ebay, USA | Lot 10 | Used to build string potentiometer |
| Kevlar thread | Cabela’s | IK-321909 | Used to build string potentiometer |
| 10 kOhm potentiometer | Ebay, USA | 3590S-2-103L | Used to build string potentiometer |
| Digital multimeter | Harbor Freight, USA | 98674 | Used to take resistance measurements of string potentiometer |
References
- Katnam, K. B., Da Silva, L. F. M., Young, T. M. Bonded repair of composite aircraft structures: A review of scientific challenges and opportunities. Prog Aerosp Sci. 61, 26-42 (2013).
- Hollaway, L. C. A review of the present and future utilization of FRP composites in the civil infrastructure with reference to their important in-service properties. Constr Build Mater. 24, 2419-2445 (2010).
- Mouritz, A. P., Gellert, E., Burchill, P., Challis, K. Review of advanced composite structures for naval ships and submarines. Compos Struct. 53, 21-41 (2001).
- Albanilla, M. A., Li, Y., Karbhari, V. M. Durability characterization of wet layup graphite/epoxy composites used in external strengthening. Compos Part B-Eng. 37, 200-212 (2006).
- Jedidi, J., Jacquemin, F., Vautrin, A. Accelerated hygrothermal cyclical tests for carbon/epoxy laminates. Compos. Part A –Appl. Sci. 37, 636-645 (2006).
- Jones, L. C., Tsao, A. K., Topoleski, L. D. T., N, E. l. i. a. z. Orthopedic Implant Retrieval and Failure Analysis. Degradation of Implant Materials. , 393-447 (2012).
- Gellert, E. P., Turley, D. M. Seawater immersion ageing of glass-fibre reinforced polymer laminates for marine applications. Compos. Part A –Appl. Sci. 30, 1259-1265 (1999).
- Sugita, Y., Winkelmann, C., La Saponara, V. Environmental and chemical degradation of carbon/epoxy lap joints for aerospace applications, and effects on their mechanical performance. Compos. Sci. Technol. 70, 829-839 (2010).
- Campbell, R. A., Pickett, B. M., La Saponara, V., Dierdorf, D. Thermal Characterization and Flammability of Structural Epoxy and Carbon/Epoxy Composite with Environmental and Chemical Degradation. J. Adhes. Sci. Technol. 26, 889-910 (2012).
- Landry, B., LaPlante, G., LeBlanc, L. R. Environmental effects on mode II fatigue delamination growth in an aerospace grade carbon/epoxy composite. Compos. A-Appl. Sci. 43, 475-485 (2012).
- Ferracane, J. L. Hydroscopic and hydrolytic effects in dental polymer networks. Dent. Mater. 22, 211-222 (2006).
- Mueller, Y., Tognini, R., Mayer, J., Virtanen, S. Anodized titanium and stainless steel in contact with CFRP: An electrochemical approach considering galvanic corrosion. J. Biomed. Mater. Res. –A. 82, 936-946 (2007).
- Bagley, E., Long, F. A. Two-state Sorption and Desorption of Organic Vapors in Cellulose Acetate. J. Am. Chem. Soc. 77, 2172-2178 (1955).
- Shen, C. -. H., Springer, G. Moisture Absorption and Desorption of Composite Materials. J. Compos Mater. 10, 2-20 (1976).
- Zhou, J., Lucas, J. P. Hygrothermal effects of epoxy resin. Part I: the nature of water in epoxy. Polymer. 40, 5505-5512 (1999).
- Abot, J. L., Yasmin, A., Daniel, I. M. Hygroscopic Behavior of Woven Carbon-Epoxy Composites. J. Reinf. Plast. Comp. 24, 195-207 (2005).
- LaPlante, G., Ouriadov, A. V., Lee-Sullivan, P., Balcom, B. J. Anomalous Moisture Diffusion in an Epoxy Adhesive. J. Appl. Polym. Sci. 109, 1350-1359 (2008).
- Weitsman, Y. J. Anomalous fluid sorption in polymeric composites and its relation to fluid-induced damage. Compos. Part A –Appl. Sci. 37, 617-623 (2006).
- Karbhari, V. M., Ghosh, K. Comparative durability evaluation of ambient temperature cured externally CFRP and GFRP composiste systems for repair of bridges. Compos. Part A –Appl. Sci. 40, 1353-1363 (2009).
- Neumann, S., Marom, G. Free-volume dependent moisture diffusion under stress in composite materials. J. Mater. Sci. 21, 26-30 (1986).
- Wan, Y. Z., Wang, Y. L., Huang, Y., He, B. M., Han, K. Y. Hygrothermal aging behaviour of VARTMed three-dimensional braided carbon-epoxy composites under external stresses. Compos. Part A –Appl. Sci. 36, 1102-1109 (2005).
- Helbling, C. S., Karbhari, V. M. Investigation of the Sorption and Tensile Response of Pultruded E-Glass/Vinylester Composites Subjected to Hygrothermal Exposure and Sustained. J. Reinf. Plast. Comp. 27, 613-638 (2008).
- Kasturiarachchi, K. A., Pritchard, G. Water absorption of glass/epoxy laminates under bending stresses. Composites. 14, 244-250 (1983).
- Abdel-Magid, B., Ziaee, S., Gass, K., Schneider, M. The combined effects of load, moisture and temperature on the properties of E-glass/epoxy composites. Compos Struct. 71, 320-326 (2005).
- Ellyin, F., Rohrbarcher, C. The Influence of Aqueous Environment, Temperature and Cyclic Loading on Glass-Fibre/Epoxy Composite Laminates. J Reinf Plast Comp. 22, 615-636 (2003).
- Earl, J. S., Dulieu-Barton, J. M., Shenoi, R. A. Determination of hygrothermal ageing effects in sandwich construction joints using thermoelastic stress analysis. Compos Sci Technol. 63, 211-223 (2003).
- Jeon, J., Muliana, A., La Saponara, V. Thermal stress and deformation analyses in fiber reinforced polymer composites undergoing heat conduction and mechanical loading. Compos. Struct. 111, 31-44 (2014).
- Muliana, A. H., Rajagopal, K. R., Wineman, A. A new class of quasi-linear models for describing the non-linear viscoelastic response of materials. Acta Mech. 224, 2169-2183 (2013).
- Joshi, N., Muliana, A. Deformation in Viscoelastic Sandwich Composites Subject to Moisture Diffusion. Compos. Struct. 92, 254-264 (2010).
- Muliana, A. H., Sawant, S. Viscoelastic Responses of Polymer Composites with Temperature and Time Dependent Constituents. Acta Mech. 204, 155-173 (2009).
- . Standard Test Method for Moisture Absorption Properties and Equilibrium Conditioning of Polymer. Matrix Composite Materials. ASTM International. , (2004).
