Eine Testplattform in Haltbarkeit Studien von Polymeren und faserverstärkten Polymerverbundwerkstoffe unter Concurrent Hygrothermogeber mechanischen Stimuli
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
Die Beständigkeit von Polymeren und faserverstärkten Polymerverbundstoffe unter Betriebsbedingungen ist ein wichtiger Aspekt, um für ihre robusten Designs und zustandsorientierte Instandhaltung zu richten. Diese Materialien werden in einer breiten Palette von Engineering-Anwendungen übernommen, von Flugzeug- und Schiffskonstruktionen, Brücken, Windturbinenschaufeln, Biomaterialien und biomedizinische Implantate. Polymere sind viskoelastische Materialien, und ihre Reaktion kann stark nichtlinear sein und so machen es schwierig, vorherzusagen, und deren in-Service-Performance zu überwachen. Die Labortestplattform hierin präsentierten unterstützt die Untersuchung des Einflusses der gleichzeitigen mechanischen Belastungen und Umweltbedingungen für diese Materialien. Die Plattform wurde entwickelt, um preiswerte und benutzerfreundlich sein. Sein chemisch beständigen Materialien machen die Plattform anpassbar an Studien der chemischen Abbau durch in-Service-Exposition gegenüber Flüssigkeiten. Ein Beispiel für Experiment wurde bei RT für geschlossenzellige Polyurethan geführtSchaumproben mit einem Gewicht entsprechend ~ 50% ihrer endgültigen statischen und Trockenbelastung belastet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Testvorrichtung für diese Untersuchungen geeignet ist. Ergebnisse unterstreichen auch die größere Anfälligkeit des Polymers unter gleichzeitiger Belastung auf Grund der höheren Mittelpunktverschiebungen und geringere Restbruchlasten. Es werden Empfehlungen für weitere Verbesserungen an der Testvorrichtung hergestellt.
Introduction
Polymeren und faserverstärkten Polymer (FRP) wurden in einer Vielzahl von Ingenieurbauwerken verabschiedet, die von Luft- und Raumfahrzeugen, Marineschiffe, zivile Infrastruktur, (siehe Beispiele Rezensionen Katnam et al. 1, 2 Hollaway, Mouritz et al . 3), Autos und Züge, Rotorblätter, um Prothesen und Biomaterialien für Nahtmaterial und Implantate. Haltbarkeit dieser Materialien "wird durch komplexe Service-Szenarien, die eine Kombination von a enthalten kann) thermo-mechanischer Belastung, zB Frost-Tau-Zyklen in zivile Infrastruktur 4, Subsonic / Schallflug Profile 5, tragen in Metallrücken Polyethylen betroffen 6) ; b) Abbau aufgrund von ökologischen und chemischen Mitteln, zum Beispiel Meerwasser, Enteisung, Hydraulikflüssigkeit für die Luftfahrt und Marinestrukturen 7-10, Abbau von Polymethylmethacrylat Dentalkomposite durch Speichel 11; c) komplexe interactions von Materialien befestigt oder Klebeverbindungen, beispielsweise galvanische Korrosion und Ablösung zwischen verschiedenen Materialien, ob in einem Carbon / Fiber-Patch-Reparatur auf einem Flugzeugaluminiumhaut oder einem Kohlenstoff / PEEK Knochenplatte aus Edelstahl 12 befestigt.
Es ist leider beschränkt Kenntnis der Auswirkungen der gleichzeitigen In-Service Stimuli auf die langfristige Haltbarkeit dieser Materialien. Die meisten Polymere können als viskoelastische Materialien klassifiziert werden. Mechanischen Belastungen und Umweltbedingungen signifikant beeinflussen die viskoelastischen Reaktion von Polymeren. Daher sollten zuverlässige Modelle für Langzeitverhalten dieser Materialien "in der Lage, zeitabhängige Reaktionen gekoppelt hygrothermischen, mechanische, chemische Reize integrieren. Dies wiederum wird zu verbessern Design Vorhersagen, Sicherheit und zustandsorientierte Instandhaltung / Austausch-Protokolle.
Es gibt eine umfangreiche Literatur Körper auf experimentellen Tests an hygrothermischen WirkungenBeispiels hygrothermischen Diffusionstests: wenn das Ausmaß der Proben ermöglicht es, die Materialproben können in einer Kammer an gewünschte Feuchtigkeit und Temperatur angeordnet werden. Die Proben werden periodisch entnommen, um ihre Masse und / oder Volumenänderungen für eine gegebene Zeitdauer von Wochen bis Jahren 10,13-17 messen. Die Hygrothermalprüfung kann durch mechanische Prüfung, dh die statische Rest / Ermüdungsfestigkeit / Bruchmechanik-17-19, die nur gibt Informationen über die Wirkung der hygrothermischen Stimulus auf die mechanischen Reaktionen der Materialien zu beachten. Testdaten können auf Diffusionsmodelle unterschiedlicher Komplexität, von einfachen Fickschen Diffusions für Modelle, die die Abhängigkeit von Konzentration, Druck, Temperatur, reversible physikalische Alterung / Plastifizierung und irreversible chemische Reaktionen umfassen ausgestattet werden. Dieses experimentelle Ausgangs kann ferner in Strukturanalysen eingearbeitet werden.
Nur wenige Autoren haben die Auswirkungen der gleichzeitigen hy angesprochengrothermal und mechanische Reize. Unter den forschen FRP Verbundwerkstoffe, Neumann und Garom 20 eingetaucht betonten und unbetonten Proben in destilliertem Wasser. Stress wurde durch die Positionierung der Proben komprimierte Edelstahlfedern aufgebracht, Abstimmung der Last durch unterschiedliche Federsteifigkeiten und Druckbelastungen. Ein ähnliches Verfahren wird von Wan et al. 21 ausgewiesen. Helbling und Karbhari 22 beschäftigte Biegevorrichtung innerhalb einer Klimakammer für unterschiedliche relative Luftfeuchtigkeit Prozent (RH%) und Temperaturniveaus. Die vorkonditionierten Proben wurden zu einer gegebenen Biegebeanspruchungsniveau ausgesetzt, entsprechend einem Anteil der statischen Zugbruchdehnung für diesen Verbundstoff. Kasturiarachchi und Pritchard 23 bereitete ein Edelstahl 4-Punkt-Biegevorrichtung (eine pro Probe), die auf einem Regal in einem großen Glas Exsikkator positioniert wurde. Der Exsikkator wurde teilweise mit destilliertem Wasser gefüllt, hatten kleine Lecks, die bu verhindernildup von Druck, und wurde in einer Feuchtigkeitskammer bei 95% relativer Feuchtigkeit gelegt. Gellert und Turley 7 untersucht marine-grade FRP zusammengesetzte Proben für ihre Haltbarkeit unter kombinierter Kriechbeanspruchung und 100% rF. Ihre Proben wurden in 4-Punkt-Biegung bei einer konstanten Belastung von 20% der Ausfall statischen Biegebelastung belastet ist, und unter in Meerwasser eingetaucht. Die Kriechbiegung wurde periodisch unter Verwendung einer Fühlerlehre zwischen der äußeren Oberfläche des Trägers in der mittleren Querschnitt und einer Glasplatte erworben (es wird angenommen, dass eine solche Messung wurde außerhalb der Kammer durchgeführt wird). Abdel-Magid et al. 24 angeordneten Proben von Glas / Epoxid in einer Invar Umwelt Befestigung gibt, die von der NASA Langley bereitgestellt wurde, als die Proben unter Zug entlang der Faserrichtung belastet, bei 20% des letztendlichen Axialkraft. Ellyin und Rohrbarcher 25 lief hygrothermischen Tests für bis zu 140 Tage, und dann untersucht die Proben in Müdigkeit auf einer hydraulischen Prüfmaschine. Die Probes wurden in einer feuchten Gaze mit einem Rohr und einer Wasserversorgung verbunden gewickelt. Earl et al. 26 positioniert ihre Ladevorrichtung und die Proben in einer großen Klimakammer (5,5 m 3).
Wie in vielen experimentellen Studien diskutiert, die Umweltbedingungen beeinflusst der Polymere mechanischen Eigenschaften und Reaktionen. Einige begrenzte Versuche zeigen auch, dass das Vorhandensein von mechanischen Spannung / Dehnung beeinflusst die Diffusion in den Polymeren. Daher, um das Verständnis für die Gesamtleistung der Materialien auf Polymerbasis unter mechanische und nicht-mechanische Effekte zu verstärken, besteht eine Notwendigkeit für die gleichzeitige Prüfung.
Es gab mehrere Ziele hinter der Konstruktion der Testplattform in diesem Papier diskutiert. Erstens ist die Plattform ein Teil der Versuchsanordnung in einer mehrjährigen Untersuchung auf der Hygrothermogeber-mechanischen Verhaltens von verschiedenen Arten von FRP Sandwich-Verbundwerkstoffen für Windkraftanlage einnd Marine Engineering-Anwendungen. Die Testdaten werden verwendet, um die Parameter in der viskoelastischen Materialgleichungen für die Polymerverbund kalibrieren. Die konstitutive Modelle basieren auf dem im Laufe der Jahre durch Muliana und Mitarbeiter 27-30 entwickelt Arbeit. Das zweite Ziel war es, eine preiswerte und benutzerfreundliche Testplattform, beispielsweise eine, die leicht in einem Labor (zB Massenmessungen verlagert werden könnte, zu einer Skala oder an die Quelle des Fluids, beispielsweise eines kommenden haben von einem Hahn, einem Abzug oder einem brennbaren Schrank). Das dritte Ziel war es, eine Testplattform, die gegenüber einer Reihe von Chemikalien, die üblicherweise im Betrieb verwendet werden (insbesondere Hydraulikflüssigkeit, Enteisung, Reinigungsmittel für Anwendungen in der Luftfahrt, 8-10) ist, wodurch Proben konnten mit solchen Chemikalien eingetaucht werden erstellen und ihre Haltbarkeit konnte beurteilt werden.
Die Kammer (1) mit hoher Dichte konstruiert polyethylene, die eine hohe chemische Beständigkeit. Wie oben erwähnt, wird erwartet, dass zukünftige Arbeiten umfassen Hygrothermogeber mechanische Untersuchung von Kompositen in Hydraulikfluid eingetaucht ist, Enteisen, Reinigungslösungen. Da die thermische Regulierung ist ein wesentlicher Aspekt des Tests wurde expandierter Polystyrolschaum, um die Seiten des Behälters zu passen und an der Stelle mit dem Band und dem Stahlrahmen selbst befestigt ist, um einen Wärmeaustausch mit der Umgebung zu verhindern.
Der Deckel der Kammer (2) aus transparentem, 9,525 mm dicken Polycarbonat hergestellt, so dass die Nutzer, die Proben während der Prüfung, ohne den Test stören beobachten. Der Deckel wird durch die Al-T-Balken, die bearbeitet werden, um unter den Ober Klammern an den Seiten des Behälters gleiten waren gesichert.
Biegen in den Proben durch drei Aluminiumblöcke, die von dem Deckel nach unten hängen und durch Schlitze in dem Deckel befestigt erlassen. Die drei Blöcke sind bis zu vier specimens auf einmal geprüft werden, während die Deckelschlitze erlauben je nach der Länge der Proben der Blockabstand angepasst werden. Jeder Block ist an dem Kontaktrand zu einem Durchmesser von 12,7 mm abgerundet, unter Einhaltung der Norm ASTM D790-10. Die Proben werden unter zwei von den drei Blöcken angeordnet sind, mit einer nach oben gerichteten Kraft in der Mitte aufgebracht, um zu induzieren Biege (Abbildungen 1-2).
Die Apparatur wurde mit maximaler Vielseitigkeit und einfache Bedienbarkeit im Vordergrund. Lenkrollen mit 41,275 mm Durchmesser werden unterhalb der Kammer für Mobilitätszwecke befestigt. Über sie wird der Tank durch einen Stahlrahmen mit einem Drahtgitterboden und Querträger für den Träger aufgebracht. Winkel stock Abstandshalter für die Außentank Ecken wurden hergestellt, um die Isolierung nicht durch die Kopfgewicht und Wegaufnehmer zerquetscht zu halten (string Topfvorrichtung, die später beschrieben). Um die Spitze wurde Winkel stock wieder für die Gestaltung verwendet. Riemenscheibe und String Potentiometer Systeme measuWieder Mid-Span-Ablenkein auf vier Stahl, Rechteckrohrbögen (Abbildung 3) montiert. Die Mitte zwei Bögen aus diesen vier tragen die Zeichenfolge Potentiometer und sind einstellbar, um für die Proben Vielseitigkeit Rechnung zu tragen. Die String-Potentiometer wurden mit einer Drehfeder ausgebildet und Potentiometer mit Drei-Punkte-elektronischen Ausgänge (wie in versenkbare Schlüssel Lanyards finden). Die Riemenscheiben sind so ausgerichtet und für die Verwendung mit einem Stahlseil aus einer starren Verbindung von der Probe zu einer Kleiderstange über der Seite der Kammer für einstellbares Gewicht Anwendung ausgeführt montiert.
Die Last auf der Probe mit einer Reihe von Kabeln, Rollen Bindungen und Schrauben eingesetzt. Zuerst wird die Probe in die U-Bolzen angeordnet, so dass die 10 mm Querstange in Kontakt steht in der Mitte der Spannweite. Ein 9,525 mm Durchmesser Stahlstange mit Ringschrauben an jedem Ende wird dann auf die U-Bolzen verbunden. Diese Stahlverbindung gelangt durch den Deckel der Kammer. Ein Stahlseil und Kevlar tHread werden der Augenschraube gegenüber dem U-Bolzen festgelegt ist. Dies ermöglicht es dem Kevlar Faden von der Saite Potentiometer, um Daten von einem starren Punkt gelesen. Das Stahlkabel setzt sich nach oben und läuft über zwei Rollen, die die Last an der Peripherie des Behälters aufgebracht werden kann. Das Kabel ist dann zu einem 9,525 mm Durchmesser Stahlstange, die als Schlitzgewicht Aufhänger dient angebracht. Dieser Bügel bietet einen Ort, wo die Schlitzgewichte können, um die gewünschten Last gelten eingestellt werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aus den erfaßten Daten kann gesehen werden, dass das gleichzeitige Prüfszenario hat Einfluss auf die Haltbarkeit der geschlossenzelligen Polyurethanschaumproben. Dies kann durch Vergleichen der signifikant unterschiedlichen Verschiebungen (Abbildung 5) und Restlasten zum Versagen (Figur 6) von trockenen Proben ersichtlich ist, Fig. 7 zeigt Bilder der Proben nach den Restfestigkeitstests. Es sollte auch beachtet werden, dass, während die Verschiebung der trockenen Pro…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken Schicksal Garcia, Serena Ferraro, Erik Quiroz und Steven Kern (Advanced Composites Research, Engineering and Science Labor) für ihre Hilfe bei der Entwicklung und Herstellung der Testaufbau. Shawn Malone, Michael Akahori, David Kehlet (Engineering Fertigung Lab) sind bekannt für ihre Anregungen und Unterstützung bei der Bearbeitung anerkannt. Die Unterstützung durch die National Science Foundation (kollaborative Zuschuss CMMI-1.265.691 und dessen Ergänzung REU) und dem Office of Naval Research (N00014-13-1-0604 A. Muliana, Texas & M University (Principal Investigator) und V. La Saponara von Programmdirektor Yapa Rajapakse verwaltet) ist herzlich willkommen.
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 |
Riferimenti
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