폴리머의 내구성 연구 및 동시 Hygrothermo 기계적 자극에 따라 섬유 강화 고분자 복합 재료에 대한 테스트 플랫폼
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
서비스 조건 하에서 중합체 및 섬유 강화 고분자 복합 재료의 내구성은 강력한 설계 및 조건 기반 유지 보수를 위해 해결되어야 할 중요한 측면이다. 이들 재료는 항공기 및 선박 구조에서, 교량, 바람 터빈 블레이드, 생체 재료 및 생의학 임플란트 엔지니어링 다양한 애플리케이션에서 채용된다. 고분자는 점탄성 물질이다, 그들의 반응은 매우 비선형 따라서 예측하고 자신의에서 서비스 성능을 모니터링하기가 도전 할 수 있습니다. 여기에 제공된 실험실 규모의 테스트 플랫폼은 동시 기계적 하중 및 이들 물질에 대한 환경 조건의 영향의 조사를 지원합니다. 이 플랫폼은 낮은 비용과 사용자 친화적으로 설계되었습니다. 그 내성 물질로 인해 유체에의 서비스 노출 화학적 분해의 연구에 플랫폼이 적응합니다. 실험의 예는 독립 기포 폴리 우레탄에 RT에서 실시 하였다발포체 샘플은 궁극적 정적 하중과 건식 ~ 50 %에 해당하는 중량 로케이션. 결과는 시험 장치는 이러한 연구에 적합한 것으로 나타났다. 결과는 또한 높은 중간 점 변위 및 저급 잔여 실패 하중에 기초하여, 동시 하중 하에서 중합체의 취약성을 더 강조. 권장 사항은 시험 장치에 추가 개선을 위해 만들어집니다.
Introduction
고분자 및 섬유 강화 고분자 (FRP) 복합 재료는 항공기 및 우주선, 해군 함정, 사회 기반 시설에 이르기까지, 엔지니어링 구조의 다양한 채택되었다 (Katnam 등. 1, Hollaway 2, Mouritz 등의 등의 예 리뷰에 대한 참조 . 3), 봉합 및 임플란트 보철 및 생체 재료에 자동차와 기차, 풍력 터빈 블레이드. 이들 물질 '내구성의 조합을 포함 할 수있다 복잡한 서비스 시나리오) 열 – 기계적 하중 예는 동결 – 해동주기를 사회 기반 시설 4, / 초음속 비행 5 프로필, 금속 백업 폴리에틸렌의 마모에 의해 영향을 받는다 6) ; 때문에 환경 및 화학 물질, 예를 들면, 해수, 제빙, 항공 및 해상 구조물 7-10, 타액 (11)에 폴리 메틸 메타 크릴 레이트 치과 복합 재료의 열화 유압 유체 나) 저하; C) 복잡한 INTE고정 또는 결합 관절, 서로 다른 물질 사이 예를 들어, 갈바닉 부식 및 디 본딩에서 재료의 ractions 항공기 알루미늄 피부, 또는 스테인리스 강 (12)에 의해 고정 탄소 / PEEK 뼈 접시에 탄소 / 섬유 패치 수리 여부.
불행히도 이들 재료의 장기 내구성에 동시 – 서비스 자극의 영향에 대한 지식이 제한되어있다. 대부분의 중합체는 점탄성 물질로 분류 할 수있다. 기계적 하중 및 환경 조건이 크게 중합체의 점탄성 응답에 영향을 미친다. 따라서, 이러한 물질 '장기 동작에 대한 신뢰할 수있는 모델을 결합 hygrothermal, 기계적, 화학적 자극에 시간에 따른 응답을 통합 할 수 있어야한다. 차례로 이것은 디자인 예측, 안전 및 상태 기반 유지 보수 / 교체 프로토콜을 향상시킬 수 있습니다.
hygrothermal 효과에 대한 실험 테스트에 큰 문학 본체가예를 hygrothermal 확산 시험 : 시료의 스케일이 허용하는 경우, 물질 시료를 원하는 온도 및 습도 수준에서 챔버에 위치 될 수있다. 샘플로부터 주 10,13-17 년에, 주어진 시간에 대한 자신의 질량 및 / 또는 부피의 변화를 측정하기 위해 주기적으로 제거된다. hygrothermal 시험은 재료의 기계적 반응에 hygrothermal 자극의 효과에 대한 정보를 제공 기계적 시험, 즉, 잔여 정적 / 피로 강도 / 파괴 역학 테스트 17-19, 다음에 할 수있다. 테스트 데이터 농도, 응력, 온도, 에이징 가역적 물리적 / 가소 불가역 화학 반응에 대한 종속성을 포함 단순한 모델 Fickian 확산에서, 가변 복잡도의 확산 모델에 장착 될 수있다. 이 실험 출력은 추가 구조 분석에 통합 될 수 있습니다.
몇몇 저자는 동시 숨바꼭질의 영향을 다루었 다grothermal 및 기계적 자극. 그 연구 FRP 복합 재료 중 노이만과 Garom 침지 (20) 스트레스와 증류수에 강세 표본. 압축 응력이 스테인리스 내부 스프링 시험편을 배치하여 도포하고, 다른 스프링 강성과 압축 하중을 이용하여 부하를 조정. 유사한 절차가 완 외. (21)에 의해보고된다. Helbling 및 다른 Karbhari 22 퍼센트 상대 습도 (RH %)의 온도 레벨에 대한 환경 챔버 내부 굽힘 치구를 이용. 프리 컨디셔닝 된 시험편은 그 합성 용 정적 인장 변형의 비율에 대응하는, 소정의 굽힘 응력 레벨을 실시 하였다. 프리 차드 및 Kasturiarachchi 23은 대형 유리 데시 케이 선반에 배치 된 스테인리스 강 4 점 굽힘 지그 (시편 당 하나)를 준비했다. 데시 케이 터가 부분적으로 증류수로 채워졌다, BU을 방지하기 위해 작은 누수를했다압력 ildup 및 95 % RH에서 습도 챔버에 넣었다. 갤러과 털리 7 결합 크리프로드 및 100 % RH에서 자신의 내구성을 위해 해양 급 FRP 복합 표본을 조사 하였다. 충분히 해수에 침지하면서 샘플은 실패 정적 굴곡 하중의 20 %에 해당하는 일정 하중에서 4 점 굽힘에 로딩 하였다. 크리프 편향 중앙 단면 빔, 및 유리판의 외면 사이의 두께 게이지를 사용하여 주기적으로 획득되었다 (그러한 측정 챔버 외부에 수행되었음을 추론한다). 압델 Magid 등. (24)는 표본이 궁극적 축 방향 하중의 20 %, 섬유 방향을 따라 장력에로드 된 바와 같이, NASA 랭글리에 의해 제공되었다 인바 환경기구에 유리 / 에폭시의 샘플을 배치했다. Ellyin 및 Rohrbarcher 25 일까지 140 일 동안 hygrothermal 테스트를 실행 한 후 유압 시험기 피로 시험편을 시험했다. 시편S는 튜브와 물 공급 장치에 연결 치즈 젖은 천으로 감쌌다. 얼 등. (26)는 자신의로드기구와 대형 환경 챔버 (5.5 m 3)의 표본을 위치.
많은 실험 연구에서 논의 된 바와 같이, 환경 조건은 중합체 '기계적 특성과 응답에 영향을 미친다. 일부 제한된 실험은 또한 기계적 응력 / 변형의 존재는 중합체의 확산 공정에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서, 기계적 및 비 기계적 영향하에 모두 고분자 계 재료의 전체적인 성능에 대한 이해를 강화하기 위해 동시 테스트에 대한 필요성이 존재한다.
이 문서에 설명 된 테스트 플랫폼의 디자인 뒤에 여러 가지 목적이 있었다. 우선, 플랫폼은 풍력 터빈 용 FRP 샌드위치 복합체의 다른 유형의 hygrothermo 기계적 거동 다년 조사에 실험 장치의 일부차 해군 엔지니어링 응용 프로그램. 테스트 데이터는 합성 중합체 용 점탄성 구성 방정식의 파라미터를 보정하는 데 사용된다. 구성적인 모델은 Muliana와 공동으로 27 ~ 30 년에 걸쳐 개발 작업에 근거합니다. 제 2 대물 쉽게 질량 측정을 위해 스케일 예 연구소 (재배치 또는 유체의 소스로 될 수 일례위한 저비용이고 사용자 친화적 인 테스트 플랫폼, 예를 들어, 한 사람은이 것이었다 수도꼭지, fumehood 또는 가연성 캐비닛). 세 번째 목적은, 따라서, 표본은 화학 약품에 침지 될 수있는 공통 서비스에 사용되는 화학 물질의 수 (우주 항공 분야 8-10 청소용 특히 유압 유체, 제빙)에 내성 테스트 플랫폼을 생성하기 위해, 그리고 내구성을 평가 할 수있다.
챔버 (도 1) 고밀도로 제조 하였다 polyethyleNE, 이는 높은 화학적 저항성을 갖는다. 전술 한 바와 같이, 이는 향후 연구가 유압 유체에 침지 복합 hygrothermo 기계적 조사, 제빙, 세정 용제를 포함 할 것으로 예상된다. 열 조절은 시험의 일체 형태이기 때문에, 발포 폴리스티렌 발포체는 탱크의 측면 주위에 적합하고, 환경과의 열 교환을 방지하기 위해, 테이프 및 철골 자체에 의해 제 위치에 고정.
챔버 (도 2)의 뚜껑은 사용자가 방해없이 시험 동안에 시험 시료를 관찰 할 수 있도록 투명, 9.525 mm 두께의 폴리 카보네이트를 제조 하였다. 탱크 뚜껑의 양쪽에 브래킷 오버행 아래로 슬라이드를 가공했다 알루미늄 T 바 의해 제자리에 고정된다.
시편의 굽힘은 뚜껑에서 내려 걸어, 뚜껑의 슬롯을 통해 고정되어 세 알루미늄 블록에 의해 제정된다. 세 블록 네의 최대 수뚜껑 슬롯 블록 간격이 시험편의 길이에 따라 조절 될 수 있도록하면서 pecimens가 한번에 테스트된다. 각 블록은 ASTM 표준 D790-10 준수에, 12.7 mm 직경 접촉면에서 반올림됩니다. 시편은 굽힘 유도하기 위해 그 중심에 적용 상향 력 (1-2도)로, 세 개의 블록이 아래에 위치한다.
장치는 최대 다양성과 사용 편의성을 염두에두고 설계되었습니다. 41.275 mm 직경 캐스터는 이동성을 위해 챔버 아래에 체결된다. 그들 위에, 탱크 지원을위한 와이어 메쉬 바닥과 크로스 빔에 용접 된 강철 프레임에 의해 지원된다. 외부 탱크 코너에 대한 각도 stock 스페이서 (나중에 논의, 문자열 냄비 장치) 오버 헤드 무게와 변위 게이지에 의해 분쇄되는 절연을 유지하기 위해 제작되었다. 상단의 주위에, 각 주가는 프레임 다시 사용되었다. 풀리 및 문자열 가변 저항 시스템은 measu하기미드 스팬 편향 재 네 개의 강, 평방 튜브 아치 (그림 3)에 장착되어 있습니다. 이 네 가지 중 중심이 아치는 문자열 전위차계를 수행하고 표본의 다양성을 설명하기 위해 조정할 수 있습니다. 세 갈래 전자 출력을하고 전위차계 (개폐식 키 방아 끈에서 발견 될 수있는) 문자열 포텐셔미터는 비틀림 스프링을 사용하여 구성 하였다. 풀리 정렬 및 조정 무게 응용 프로그램에 대한 챔버의 측면을 통해 매달려로드의 표본으로 단단한 연결에서 실행하는 강철 케이블에 사용 장착되어있다.
부하는 케이블, 풀리, 연결기 및 일련의 볼트를 사용하여 시험편에인가된다. 10mm 크로스 바 스팬의 중간 접촉되도록 첫째, 시편은 U 볼트에 배치됩니다. 각 단부에서 아이 볼트와 9.525 mm 직경의 강철 막대이어서 U 볼트에 연결된다. 이 스틸 연결 챔버의 뚜껑을 통과한다. 강철 케이블 및 케블라 thread는 U 볼트 반대 아이 볼트에 부착된다. 이 문자열 전위차계에서 케블라 (Kevlar) 스레드가 단단한 지점에서 데이터를 읽을 수 있습니다. 강철 케이블 위쪽으로 계속 부하 탱크의 주위에 도포 될 수 있도록 두 개의 풀리 통과. 이어서 케이블 슬롯 중량 걸이 역할 9.525 mm 직경 강철 막대에 부착된다. 이 행거 슬롯 가중치 원하는 하중을 적용하기 위해 설정 될 수있는 장소를 제공한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
수집 된 데이터로부터, 동시 테스트 시나리오는 독립 기포 폴리 우레탄 발포체 시편의 내구성에 영향을 미치지 않았 음을 알 수있다. 이 실패로 건식 및 습식 표본 (그림 6) 유의 한 차이가 변위 (그림 5) 및 잔류 하중을 비교하여 볼 수 있습니다. (7) 잔류 강도 시험 후 시편의 사진을 보여줍니다. 건조 표본의 변위가 24 시간의 관찰 간격 내에 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 설계 및 테스트 셋업을 제조 그들의 도움을 운명 가르시아, 세레나 페라로, 에릭 Quiroz 스티븐 컨 (고급 복합 연구, 엔지니어링 및 과학 실험실을) 감사합니다. 숀 말론, 마이클 Akahori, 데이비드 Kehlet (공학 제조 연구소)는 자신의 제안과 가공 과정에서 도움을 인정합니다. 국립 과학 재단 (National Science Foundation)의 지원 (협력 기금 CMMI-1265691와 REU 보충) 및 A. Muliana, 텍사스 & M 대학 (연구 책임자)에의 Office of Naval Research (N00014-13-1-0604 및 V. 라 Saponara ) 프로그램 디렉터 Yapa 라자 팍세에서 관리 감사 감사합니다.
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).
