A Plataforma de testes de durabilidade Estudos de Polímeros e reforçado com fibra de polímero Composites, sob estímulo Concurrent Hygrothermo-mecânico

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

A durabilidade dos polímeros e compósitos poliméricos reforçados com fibras sob condição de serviço é um aspecto crítico de ser abordada por seus designs robustos e manutenção baseada em condição. Estes materiais são adotados em uma ampla gama de aplicações de engenharia, a partir de estruturas de aeronaves e navios, para pontes, pás de turbinas eólicas, biomateriais e implantes biomédicos. Os polímeros são materiais viscoelásticos, e sua resposta pode ser altamente não-linear e, assim, torná-lo difícil de prever e controlar o seu desempenho em serviço. A plataforma de ensaio à escala laboratorial aqui apresentadas auxilia a investigação da influência de cargas mecânicas simultâneas e condições ambientais sobre estes materiais. A plataforma foi projetada para ser de baixo custo e fácil de usar. Seus materiais resistentes quimicamente tornar a plataforma adaptável a estudos de degradação química devido à exposição em serviço para fluidos. Um exemplo de experimento foi conduzido na RT em poliuretano de célula fechadaamostras de espuma carregado com um peso correspondente a ~ 50% da sua carga estática e seco final. Os resultados mostram que o aparelho de teste é adequado para estes estudos. Os resultados também realçam a maior vulnerabilidade do polímero sob carga simultânea, com base nos deslocamentos de ponto médio superior e inferior cargas de ruptura residual. As recomendações são feitas para melhorias adicionais ao aparelho de ensaio.

Introduction

Polímero e polímero reforçado com fibra (FRP) foram adotados em uma variedade de estruturas de engenharia, que vão desde aviões e naves espaciais, embarcações navais, infra-estruturas civis, (ver, por comentários exemplos de Katnam et al. ^1, Hollaway ^2, Mouritz et al . ^3), carros e trens, pás de turbinas de vento, para próteses e biomateriais para suturas e implantes. Durabilidade Estes materiais "é afetado por cenários complexos de serviços, que podem incluir uma combinação de um carregamento) termo-mecânica, por exemplo, de congelamento e descongelamento ciclos em infra-estrutura civil, ^4, vôo subsônico / supersônico perfis ^5, o desgaste em polietileno com base metálica de ⁶⁾ ; b) degradação devido aos agentes ambientais e químicos, por exemplo, água do mar, de degelo, o fluido hidráulico para a indústria aeroespacial e naval estruturas ^10/07, de degradação dos compósitos de polimetilmetacrilato dentárias devido à saliva ^11; c) inte complexoractions de materiais nas articulações presas ou aduaneiros, por exemplo, corrosão galvânica e descolamento entre materiais diferentes, seja em um reparo de remendo de carbono / fibra em uma pele de alumínio de aeronaves, ou uma placa óssea / PEEK carbono fixado por aço inoxidável ^12.

Não é, infelizmente, limitada conhecimento do impacto de estímulos simultâneos em serviço, sobre a durabilidade a longo prazo destes materiais. A maioria dos polímeros podem ser classificados como materiais viscoelásticos. Cargas mecânicas e condições ambientais influenciam significativamente a resposta viscoelástico de polímeros. Assim, modelos fiáveis ​​para o comportamento a longo prazo destes materiais deve ser capaz de incorporar as respostas dependentes do tempo para higrotérmica acoplado, estímulos químicos, mecânicos. Este, por sua vez, irá melhorar as previsões de design, segurança e protocolos de manutenção / substituição com base em condições.

Há um grande corpo de literatura em testes experimentais sobre os efeitos higrotérmicas, Para os testes de difusão exemplo higrotérmicas: se a escala das amostras permite, as amostras de material pode ser posicionado em uma câmara com níveis de umidade e temperatura desejada. As amostras são removidas periodicamente para medir a sua massa e / ou de volume para um determinado período de tempo, de semanas a anos ^10,13-17. O teste higrotérmica pode ser seguido por ensaios mecânicos, ou seja, a força / fadiga estática residual / fractura mecânica ensaios ^17-19, o qual só dá informações sobre o efeito de estímulo higrotérmica sobre as respostas mecânicas dos materiais. Os dados de teste podem ser instalados em modelos de difusão de complexidade variada, desde a simples difusão Fickiana a modelos que incluem a dependência de concentração, stress, temperatura, reversível física envelhecimento / plastificação e reações químicas irreversíveis. Esta saída experimental pode ser ainda incorporada em análises estruturais.

Poucos autores têm abordado o impacto da hy simultâneagrothermal e estímulos mecânicos. Entre os que pesquisam materiais FRP, Neumann e Garom ²⁰ imerso estressado e átonas espécimes em água destilada. O estresse foi aplicado através do posicionamento dos espécimes dentro molas de aço inoxidável comprimido, ajustando a carga por meio de diferentes rigidezes mola e cargas de compressão. Um processo semelhante está descrito por Wan et al. ^21. Helbling e Karbhari ²² empregou um dispositivo elétrico dobra dentro de uma câmara ambiental para diferentes porcentagens de umidade relativa do ar (UR%) e os níveis de temperatura. As amostras de pré-condicionados foram submetidos a um determinado nível de tensão de flexão, o que corresponde a uma percentagem da tensão de tracção máxima estática para que compósito. Kasturiarachchi Pritchard e ²³ preparados de um aço inoxidável de 4 pontos gabarito de curvatura (um por amostra) que foi colocada numa prateleira num exsicador grande vidro. O secador foi parcialmente preenchido com água destilada, teve pequenos vazamentos para evitar a buildup de pressão, e foi colocado numa câmara de humidade a 95% HR. Gellert e Turley ⁷ investigado espécimes FRP compostas marine-grade por sua durabilidade sob o carregamento de fluência combinado e 100% RH. As amostras foram carregadas em flexão de 4 pontos com uma carga constante e igual a 20% da carga de flexão estática falha, ao mesmo tempo totalmente imerso na água do mar. A deflexão fluência foi adquirida periodicamente usando um medidor de espessura entre a superfície exterior do feixe na secção transversal central, e uma placa de vidro (infere-se que tal medição foi realizada no exterior da câmara). Abdel-Magid et al. ²⁴ colocado amostras de vidro / epóxi em um aparelho de iluminação ambiente Invar que foi fornecida pela NASA Langley, como as amostras foram carregadas em tensão ao longo da direcção das fibras, a 20% da carga axial final. Ellyin e Rohrbarcher ²⁵ realizaram testes higrotérmicas para até 140 dias e, em seguida, testou os espécimes em fadiga em uma máquina de ensaio hidráulico. O espécimes foram envolto em um pano molhado queijo conectado a um tubo e uma fonte de água. Earl et al. ²⁶ posicionada sua fixação de carga e os espécimes em uma grande câmara ambiental (5,5 m ^3).

Como discutido em muitos estudos experimentais, as condições ambientais afetam propriedades e respostas mecânicas dos polímeros. Algumas experiências limitados mostram também que a existência de esforço mecânico / estirpe influencia o processo de difusão dos polímeros. Assim, para melhorar o entendimento sobre o desempenho global de materiais à base de polímero em ambos os efeitos mecânicos e não mecânicos, existe uma necessidade para testes simultâneos.

Havia vários objectivos por detrás do projeto da plataforma de testes discutidos neste trabalho. Em primeiro lugar, a plataforma é parte da instalação experimental em uma investigação de vários anos sobre o comportamento hygrothermo-mecânico de diferentes tipos de compósitos sanduíche FRP para uma turbina eólicaaplicações de engenharia naval nd. Os dados do teste são utilizadas para calibrar os parâmetros nas equações constitutivas viscoelásticos para os compósitos poliméricos. Os modelos constitutivos baseiam-se no trabalho desenvolvido ao longo dos anos por Muliana e colaboradores ^27-30. O segundo objectivo foi o de ter um baixo custo e uma plataforma de teste fácil de usar, por exemplo, um que possa ser facilmente deslocalizada num laboratório (por exemplo, a uma escala de medições de massa, ou para a fonte de fluido, por exemplo, aquele que vem a partir de uma torneira, um fumehood ou um gabinete inflamável). O terceiro objectivo era criar uma plataforma de ensaio que é resistente a um número de produtos químicos usados ​​em serviço (fluido hidráulico particularmente, de degelo, solventes de limpeza para aplicações aeroespaciais ^8-10), assim, as amostras podem ser imersos em tais produtos químicos, e sua durabilidade pode ser avaliada.

A câmara (Figura 1) foi construído com polyethyle de alta densidadene, que tem uma elevada resistência a produtos químicos. Como mencionado acima, espera-se que o trabalho futuro vai incluir investigação hygrothermo-mecânico de compósitos imersas em um fluido hidráulico, de degelo, solventes de limpeza. Uma vez que a regulação térmica é uma parte integrante da análise, espuma de poliestireno expandido foi ajustar em torno dos lados do tanque e seguros no lugar por meio de fita e a própria armação de aço, para evitar a troca de calor com o ambiente.

A tampa da câmara (Figura 2) foi fabricado a partir de transparente, policarbonato 9,525 milímetro de espessura, permitindo aos utilizadores observar as amostras durante os testes, sem perturbar o teste. A tampa é fixada no lugar por barras em T de alumínio, que foram maquinadas para deslizar sob pendendo sobre suportes nos lados do tanque.

Dobrando nas amostras é promulgada por três blocos de alumínio, que pendem da tampa, e são presas através de ranhuras na tampa. Os três blocos permitem que até quatro specimens para ser testado de uma só vez, enquanto que as ranhuras da tampa permite que o bloco de espaçamento deve ser ajustada dependendo do comprimento dos espécimes. Cada bloco é arredondado na extremidade de contato para um diâmetro 12,7 milímetros, na adesão a ASTM D790-10 padrão. As amostras são posicionadas por baixo, dois dos três blocos, com uma força ascendente aplicada no seu centro para induzir flexão (Figuras 1-2).

O aparelho foi projetado com o máximo de versatilidade e facilidade de uso em mente. Rodízios com 41,275 milímetros de diâmetro são presos por baixo da câmara para fins de mobilidade. Acima deles, o tanque é suportado por uma estrutura de aço soldada com um fundo de rede de arame e vigas transversais de suporte. Ângulo de espaçadores de ações para os cantos do tanque de fora foram fabricados para manter o isolamento de ser esmagado pelo peso e deslocamento calibres aéreos (aparelho pote corda, discutido mais tarde). Around the top, estoque ângulo foi novamente utilizado para o enquadramento. Sistemas de roldanas e corda potenciômetro para measure meio da extensão de deflexão são montados em quatro aço, arcos de tubos quadrados (Figura 3). Os centros de dois arcos desses quatro transportar os potenciômetros de cordas e são ajustáveis ​​para contabilizar espécime versatilidade. Os potenciômetros de cordas foram construídos com uma mola de torção (como pode ser encontrado em colhedores chave retrátil) e potenciômetros com saídas eletrônicos de três pinos. As polias estejam alinhadas e montadas para utilização com um cabo de aço que funciona de uma ligação rígida com o espécime a uma haste pendurado para o lado da câmara de aplicação para o peso ajustável.

A carga é aplicada para a amostra usando uma série de cabos, polias, ligações e parafusos. Em primeiro lugar, a amostra é colocada no perno em U de modo que a barra transversal 10 mm em contacto a meio do vão. Uma haste de aço de diâmetro 9,525 milímetros com parafusos de olho em cada extremidade é então ligado ao U-bolt. Esta ligação de aço passa através da tampa da câmara. Um cabo de aço e Kevlar thread estão ligados ao olhal oposto da cavilha em U. Isso permite que o fio de Kevlar do potenciômetro cadeia para ler dados a partir de um ponto rígida. O cabo de aço continua para cima e passa por cima de duas polias que permitem que a carga a ser aplicada na periferia do tanque. O cabo é, então, ligado a uma haste de aço de diâmetro 9,525 milímetros, que serve como um gancho peso ranhurada. Este gancho fornece um lugar onde os pesos de fenda pode ser definida, a fim de aplicar a carga desejada.

Protocol

1. Colocação das Amostras Levante a tampa do tanque e colocá-la em cima dos suportes laterais (Figura 4). Coloque a amostra do U-parafuso, e garantir que a barra transversal está fazendo contato com o centro da amostra. Descanse as extremidades da amostra sobre os suportes de alumínio pendurados no tampa. As extremidades dos espécimes deve ter 5-10 mm de saliência. Repita os passos de 1,2-1,4 para todas as amostras que serão testadas. Remover a …

Representative Results

O aparelho de teste foi realizado com sucesso amostras imersas em um fluido sob três pontos de dobra. Com precisão razoáveis, as amostras podem ser carregadas e testado com leituras precisas dos potenciômetros para meados de ponto muda de deflexão. A alteração da resistência eléctrica pode ser gravado para 4 algarismos significativos, resultando numa resolução de deslocamento da ordem de 0,1 um. Hygrothermo testes mecânicos foram conduzidos à temperatura ambiente em dois grupos …

Discussion

A partir dos dados obtidos, pode observar-se que o cenário testes simultâneos afetou a durabilidade das amostras de células fechadas da espuma de poliuretano. Isto pode ser visto comparando os deslocamentos significativamente diferentes (Figura 5) e cargas residuais até a falha (Figura 6) de amostras secas e húmidas. A Figura 7 mostra imagens das amostras após os testes de resistência residual. Deve também ser observado que, enquanto que o deslocamento dos espé…

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