En Test Platform for holdbarhed Studier af Polymers og fiber-forstærket Polymer Composites under Concurrent Hygrothermo-mekaniske 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
Holdbarheden af polymerer og fiberforstærket polymer kompositter under servicebetingelser er et kritisk aspekt, der skal behandles for deres robuste design og tilstandsbaseret vedligehold. Disse materialer blev vedtaget i en bred vifte af tekniske applikationer, fra strukturer fly og skib, til broer, vindmøllevinger, biomaterialer og biomedicinske implantater. Polymerer er viskoelastiske materialer, og deres reaktion kan være meget lineær og dermed gøre det til en udfordring at forudsige og overvåge deres in-serviceniveauet. Laboratoriet skala test platform præsenteret heri bistår undersøgelse af indflydelsen af samtidige mekaniske belastninger og miljømæssige forhold på disse materialer. Platformen er designet til at være billig og brugervenlig. Dens kemisk resistente materialer gør platformen tilpasses undersøgelser af kemisk nedbrydning som følge af ibrugtagning eksponering for væske. Et eksempel på forsøg blev udført ved stuetemperatur på lukkede celler polyurethanskumprøver belastet med en vægt svarende til ~ 50% af deres endelige statiske og tør belastning. Resultaterne viser, at testapparatet er passende for disse undersøgelser. Resultater fremhæver også den større sårbarhed af polymeren under samtidig belastning, baseret på de højere mid-point forskydninger og lavere resterende fejl belastninger. Anbefalinger er lavet til yderligere forbedringer af testapparatet.
Introduction
Polymer og fiberforstærket polymer (FRP) kompositter er vedtaget i en række bygværker, lige fra fly og rumfartøjer, flådefartøjer, civil infrastruktur, (se eksempler anmeldelser af Katnam et al. 1, Hollaway 2, Mouritz et al . 3), biler og tog, vindmøllevinger, til proteser og biomaterialer til suturer og implantater. Disse materialer 'holdbarhed påvirkes af komplekse service-scenarier, som kan omfatte en kombination af a) termo-mekanisk belastning, f.eks fryse-tø cykler i civil infrastruktur 4, subsonisk / supersonisk flyvning profiler 5, slid på metal-backed polyethylen 6) ; b) nedbrydning på grund af miljømæssige og kemiske midler, fx havvand, afisning, hydraulisk væske til fly- og naval strukturer 7-10, nedbrydning af polymethylmethacrylat dental kompositter grund spyt 11; c) kompleks interactions af materialer i fastgjort eller limede samlinger, fx galvanisk korrosion og debonding mellem forskellige materialer, også i en carbon / fiber patch reparation på et fly aluminium hud, eller en carbon / PEEK knogleplade fastgjort med rustfri stål 12.
Der er desværre begrænset viden om konsekvenserne af samtidige ibrugtagne stimuli på den langsigtede holdbarhed af disse materialer. De fleste polymerer kan kategoriseres som viskoelastiske materialer. Mekaniske belastninger og miljømæssige forhold væsentlig indflydelse på viskoelastiske respons af polymerer. Derfor bør pålidelige modeller for disse materialer langsigtede adfærd kunne inkorporere tidsafhængige reaktioner på koblede hygrotermisk, mekaniske, kemiske stimuli. Dette vil igen forbedre design forudsigelser, sikkerhed og tilstandsbaseret vedligehold / udskiftning protokoller.
Der er en stor litteratur krop på eksperimentel afprøvning på hygrotermiske effekterFor eksempel hygrotermiske diffusion test: Hvis omfanget af prøverne tillader det, de materielle prøver kan være placeret i et kammer ved ønskede fugtighed og temperatur niveauer. Prøverne fjernes periodisk at måle deres masse og / eller mængdeændringer for en given mængde tid, fra uger til år 10,13-17. Den hygrotermisk test kan efterfølges af mekanisk kontrol, dvs resterende statisk / træthed styrke / fraktur mekanik test 17-19, som kun indeholder oplysninger om effekten af hygrotermisk stimulus på den mekaniske respons materialer. Testdata kan monteres på diffusionsmodeller af forskellig beskaffenhed, fra simple Fick'sk diffusion til modeller, der omfatter afhængighed af koncentration, stress, temperatur, reversibel fysisk aldring / blødgøring og irreversible kemiske reaktioner. Denne eksperimentelle udgang kan yderligere indgå i strukturelle analyser.
Få forfattere har behandlet virkningen af samtidig hygrothermal og mekaniske stimuli. Blandt disse forske FRP kompositter, Neumann og Garom 20 nedsænket stressede og tryksvage prøver i destilleret vand. Stress blev anvendt ved at placere prøverne inde komprimerede rustfrit stål fjedre, tuning belastningen ved hjælp af forskellige spring stivheder og trykbelastninger. En lignende procedure er beskrevet af Wan et al. 21. Helbling og Karbhari 22 ansat en bøjning stativ inde i en miljømæssig kammer til forskellige relative luftfugtighed procentsatser (RH%) og temperaturniveauer. De konditionerede prøver blev udsat for en given bøjning stamme, svarende til en procentdel af den statiske ultimative trækbelastning for at komposit. Kasturiarachchi og Pritchard 23 fremstillet af rustfrit stål 4-punkts bøjning jig (én pr prøve), som blev anbragt på en hylde i et stort glas ekssikkator. Den ekssikkator blev delvist fyldt med destilleret vand, havde små lækager for at forhindre buildup af tryk, og blev anbragt i et fugtighedskammer ved 95% RH. Gellert og Turley 7 undersøgte marine-grade FRP komposit enheder, for deres holdbarhed under kombineret krybe lastning og 100% RH. Deres prøver blev lagt i 4-punkts bøjning med en konstant belastning svarende til 20% af den manglende statiske bøjning belastning under fuld nedsænket i havvand. Den krybning deformation blev opnået periodisk under anvendelse af en tykkelsesmåler mellem den ydre overflade af strålen i det centrale tværsnit, og en glasplade (det udledes, at en sådan måling blev udført uden for kammeret). Abdel-Magid et al. 24 placeret prøver af glas / epoxy i en Invar miljømæssig armatur, som blev leveret af NASA Langley, da prøverne blev lagt i spænding langs fiberretningen, til 20% af den ultimative aksial belastning. Ellyin og Rohrbarcher 25 kørte hygrotermiske test i op til 140 dage, og derefter testet modellerne i træthed på en hydraulisk test maskine. Prøvens blev indpakket i en våd osteklæde forbundet til et rør og en vandforsyning. Earl et al. 26 placeret lastning stativ og modellerne i en stor miljømæssig kammer (5,5 m 3).
Som omtalt i mange eksperimentelle undersøgelser, de miljømæssige forhold påvirker polymerer «mekaniske egenskaber og reaktioner. Nogle begrænsede forsøg viser også, at tilstedeværelsen af mekanisk belastning / deformation påvirker diffusionsprocessen i polymererne. Derfor, for at øge forståelsen af de samlede resultater af polymer-baserede materialer under både mekaniske og ikke-mekaniske virkninger, er der behov for samtidig test.
Der var flere mål bag udformningen af test platform diskuteret i dette dokument. For det første er den platform er en del af forsøgsopstillingen i en flerårig undersøgelse på hygrothermo-mekaniske opførsel af forskellige typer af FRP sandwich kompositter til vindmølle and naval maskiner. De testdata bruges til at kalibrere parametrene i de viskoelastiske konstitutive ligninger for de polymere kompositter. De konstitutive modeller er baseret på det arbejde, udviklet i årenes løb af Muliana og samarbejdspartnere 27-30. Det andet mål var at have en billig og brugervenlig test platform, for eksempel en, der let kan flyttes i et laboratorium (f.eks, til en skala for masse målinger eller til kilden af væske, f.eks en kommer fra en vandhane, en fumehood eller en brandfarlig kabinet). Det tredje mål var at skabe en test platform, er resistent over for en række kemikalier, der almindeligvis anvendes i tjeneste (især hydraulikvæske, afisning, rengøring opløsningsmidler til rumfart 8-10), således prøver kan nedsænkes i sådanne kemikalier, og deres holdbarhed kan vurderes.
Kammeret (figur 1) blev konstrueret med høj massefylde polyethylene, som har høj kemisk resistens. Som nævnt ovenfor forventes det, at det fremtidige arbejde vil omfatte hygrothermo-mekanisk undersøgelse af kompositmaterialer nedsænket i hydraulikvæske, afisning, rengøring opløsningsmidler. Da termisk regulering er en integreret del af testning, blev ekspanderet polystyren skum passe omkring siderne af tanken og holdes på plads af tape og stålrammen selv, for at forhindre varmeveksling med omgivelserne.
Låget af kammeret (figur 2) er fremstillet af transparent, 9,525 mm tykke polycarbonat, således at brugerne kan overholde prøverne under test uden at forstyrre testen. Låget er sikret på plads af aluminium T-barer, som var bearbejdet til at glide under overhængende beslag på siderne af tanken.
Bøjning i prøverne er vedtaget af tre aluminium blokke, der hænger ned fra låget, og er fastgjort gennem spalter i låget. De tre blokke tillader op til fire specimens skal testes på én gang, mens låget slots tillader blokken afstanden skal justeres afhængigt af længden af enhederne. Hver blok er afrundet ved kontakt kant til en diameter 12,7 mm, i tilslutning til ASTM standard D790-10. Prøverne er anbragt under to af de tre blokke, med en opadrettet kraft påføres ved dens centrum for at inducere bøjning (fig 1-2).
Apparatet er designet med maksimal alsidighed og lethed-i-brug i tankerne. Hjul med en diameter på 41,275 mm er fastgjort under kammer til mobilitet formål. Over dem, er tanken støttes af et svejset stålramme med et trådnet bund og tværbjælker for support. Vinkel lager afstandsstykker for ydersiden tanken hjørner er fremstillet til at holde isoleringen ikke fanges af de overliggende vægt og forskydning gauges (apparat string pot, diskuteres senere). Omkring toppen, blev vinkel bestand bruges igen til indramning. Pulley og snor potentiometer systemer til at measure midterspændende deformation er monteret på fire stål, kvadrat-slanger buer (figur 3). Centret to buer ud af disse fire bærer strengen potentiometre og kan justeres for at tage højde for modellen alsidighed. Strengen potentiometre blev konstrueret ved hjælp af en torsionsfjeder (som kan findes i optrækkelige centrale Liner) og potentiometre med trestrenget elektroniske udgange. Remskiverne er justeret og monteret til brug med et stålkabel, der løber fra en stiv forbindelse af prøven til en hængende stang over den side af kammeret til justerbar vægt ansøgning.
Belastningen påføres prøven ved hjælp af en række kabler, remskiver, koblinger og bolte. Først prøven placeres i U-bolt, så at 10 mm cross bar kontakt midten af spændvidden. En 9,525 mm stål diameter stang med øjebolte i hver ende forbindes derefter til U-bolt. Dette stål forbindelse passerer gennem låget af kammeret. En stålkabel og Kevlar thread er knyttet til øjebolten modsat U-bolt. Dette tillader Kevlar tråd fra strengen potentiometer til at læse data fra en stiv punkt. Stålkablet fortsætter opad og passerer over to remskiver, der tillader belastning, der skal påføres ved periferien af tanken. Kablet er derefter fastgjort til en 9.525 mm stålstang, der tjener som et opslidset vægt bøjle. Denne bøjle giver et sted, hvor de slidsede vægte kan indstilles til at anvende den ønskede belastning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ud fra de indsamlede data, kan det ses, at den samtidige test scenario havde betydning for holdbarheden af de lukkede celler polyurethanskum prøver. Dette kan ses ved at sammenligne de markant forskellige forskydninger (Figur 5) og resterende belastninger svigt (figur 6) af tørre og våde prøver. Figur 7 viser billeder af enhederne efter de resterende styrke tests. Det skal også bemærkes, at mens forskydningen af de tørre prøver nåede steady state in…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takker Destiny Garcia, Serena Ferraro, Erik Quiroz og Steven Kern (Advanced Composites Research, Teknisk-Naturvidenskabelige laboratorium) for deres hjælp i design og fremstilling af test setup. Shawn Malone, Michael Akahori, David Kehlet (Engineering Fabrication Lab) er anerkendt for deres forslag og bistand i bearbejdningsprocessen. Den støtte fra National Science Foundation (kollaborativ tilskud CMMI-1265691 og dets REU supplement) og Office of Naval Research (N00014-13-1-0604 til A. Muliana, Texas & M University (Principal Investigator), og V. La Saponara , som forvaltes af studieleder Yapa Rajapakse) er taknemmeligt værdsat.
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 |
Referências
- 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).
