Una piattaforma di prova per una durata Studi di polimeri e fibra-Reinforced Polymer Composites sotto Stimoli Concurrent Hygrothermo-meccanico

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

La durata dei polimeri e compositi polimerici rinforzati con fibre sotto condizione di servizio è un aspetto critico da affrontare per il loro design robusto e basata sulle condizioni di manutenzione. Questi materiali sono adottati in una vasta gamma di applicazioni di ingegneria, di strutture di aeromobili e navi, ai ponti, pale eoliche, biomateriali e impianti biomedici. I polimeri sono materiali viscoelastici, e la loro risposta possono essere altamente non lineare e rendere difficile da prevedere e monitorare le loro prestazioni in servizio così. La piattaforma di test di laboratorio su scala presentato qui assiste l'indagine della influenza di carichi meccanici concorrenti e delle condizioni ambientali su tali materiali. La piattaforma è stata progettata per essere a basso costo e di facile utilizzo. I materiali resistenti agli agenti chimici rendono la piattaforma adattabile a studi di degradazione chimica a causa dell'esposizione in servizio ai fluidi. Un esempio di esperimento è stato condotto a temperatura ambiente su cellule chiuse poliuretanocampioni schiuma caricati con un peso corrispondente a ~ 50% del loro carico statico e secco finale. I risultati mostrano che l'apparecchiatura di prova è appropriato per questi studi. I risultati evidenziano anche maggiore vulnerabilità del polimero sotto carico concomitante, in base ai più elevati spostamenti mid-point e bassi carichi di rottura residue. Raccomandazioni sono fatti per ulteriori miglioramenti alla apparecchiatura di prova.

Introduction

Polymer e polimero rinforzato con fibre (FRP) compositi sono stati adottati in una serie di strutture di ingegneria, che vanno da aeromobili e veicoli spaziali, navi da guerra, le infrastrutture civili, (vedi ad esempi recensioni di Katnam et al. ^1, Hollaway ^2, Mouritz et al . ^3), automobili e treni, pale eoliche, alle protesi e biomateriali per suture e impianti. Durata Questi materiali "è affetto da scenari complessi di servizi, che possono includere una combinazione di una) termomeccanico carico, ad esempio, i cicli di gelo e disgelo in infrastrutture civili ^4, profili subsonico volo / supersonico ^5, usura in polietilene metal-backed ⁶⁾ ; b) la degradazione a causa di agenti atmosferici e chimici, ad esempio, acqua di mare, de-icing, fluidi idraulici per l'industria aerospaziale e navali strutture ^7-10, degrado di compositi dentali polimetilmetacrilato a causa di saliva ^11; c) inte complessoractions di materiali in articolazioni fissati o legati, ad esempio, la corrosione galvanica e delaminazione tra materiali dissimili, sia in una riparazione di patch di carbonio / fibra su una pelle di alluminio aeronautico, o un / PEEK piastra ossea carbonio fissata in acciaio inox ^12.

C'è purtroppo limitata conoscenza dell'impatto di concorrenti stimoli in servizio sulla durata a lungo termine di questi materiali. La maggior parte dei polimeri possono essere classificati come materiali viscoelastici. Carichi meccanici e condizioni ambientali influenzano significativamente la risposta viscoelastico dei polimeri. Quindi, modelli affidabili per comportamento a lungo termine di questi materiali dovrebbero essere in grado di integrare le risposte dipendenti dal tempo di igrotermico accoppiati, meccanici, stimoli chimici. Questo a sua volta migliora le previsioni di design, sicurezza e protocolli di manutenzione / sostituzione basate su condizioni.

Vi è un grande corpo della letteratura sui test sperimentali sugli effetti igrotermici, Per le prove di diffusione esempio termoigrometrici: se la scala dei campioni consente, i campioni di materiali possono essere posizionati in una camera a livelli di umidità e temperatura desiderate. I campioni vengono rimossi periodicamente per misurare la loro massa e / o cambiamenti del volume per un determinato periodo di tempo, da settimane a anni ^10,13-17. Il test termoigrometrico può essere seguita da prove meccaniche, cioè residua resistenza statica / fatica / frattura meccanica test ^17-19, che fornisce solo informazioni sull'effetto di termoigrometrico stimolo sulle risposte meccaniche dei materiali. I dati di prova possono essere montati a modelli di diffusione di varia complessità, dalla semplice diffusione Fickiano a modelli che includono dipendenza concentrazione, stress, temperatura, reversibile fisico invecchiamento / plastificazione e reazioni chimiche irreversibili. Questa uscita sperimentale può essere ulteriormente incorporata nelle analisi strutturali.

Pochi autori hanno affrontato l'impatto di hy simultaneagrothermal e stimoli meccanici. Tra questi ricercano compositi FRP, Neumann e Garom ²⁰ immerso stressati e campioni atone in acqua distillata. Lo stress è stato applicato posizionando i campioni all'interno molle in acciaio inox compressi, sintonizzare il carico utilizzando differenti rigidezze elastiche e carichi di compressione. Una procedura simile è riportato da Wan et al. ^21. Helbling e Karbhari ²² impiegati un dispositivo di piegatura all'interno di una camera ambientale per diverse percentuali di umidità relativa (RH%) e livelli di temperatura. I campioni pre-condizionato sono stati sottoposti ad un dato livello di deformazione di flessione, corrispondente ad una percentuale del ceppo rottura statico per tale composito. Kasturiarachchi e Pritchard ²³ preparato un 4 punti dima di piegatura acciaio inox (uno per campione) che è stato posizionato su uno scaffale in un grande essiccatore vetro. L'essiccatore è stato parzialmente riempito con acqua distillata, ha piccole perdite per impedire il buildup della pressione, ed è stato posto in una camera umida, a 95% RH. Gellert e Turley ⁷ indagati marine-grade campioni FRP composito per la loro durata in condizioni di carico scorrimento combinato e 100% di umidità relativa. I loro campioni sono stati caricati in 4 punti piegatura a carico costante pari al 20% del carico di flessione statica guasto, mentre è completamente immerso in acqua di mare. La deflessione scorrimento stata acquisita periodicamente utilizzando un calibro di spessore tra la superficie esterna del fascio nella sezione centrale, e una lastra di vetro (si deduce che tale misura è stata eseguita all'esterno della camera). Abdel-Magid et al. ²⁴ posizionato campioni di vetro / resina epossidica in un apparecchio ambientale Invar che è stato fornito dalla NASA Langley, i campioni sono stati caricati in trazione lungo la direzione delle fibre, al 20% del carico di rottura assiale. Ellyin e Rohrbarcher ²⁵ corse test igrotermici per un massimo di 140 giorni, e poi testato i campioni di fatica su una macchina di prova idraulica. Il campiones sono stati avvolti in un telo bagnato collegato ad un tubo e un rifornimento idrico. Earl et al. ²⁶ posizionato il loro apparecchio di carico e gli esemplari in una grande camera ambientale (5,5 m ^3).

Come discusso in molti studi sperimentali, le condizioni ambientali influenzano le proprietà meccaniche e le risposte dei polimeri. Alcuni esperimenti limitati mostrano anche che l'esistenza di meccanica sforzo / deformazione influenza il processo di diffusione nei polimeri. Pertanto, per migliorare la comprensione sulle prestazioni complessive di materiali polimerici sotto effetti sia meccanici e non meccanici, vi è una necessità di test simultaneo.

Ci sono stati diversi gli obiettivi alla base della progettazione della piattaforma di prova descritto in questo articolo. In primo luogo, la piattaforma è parte del setup sperimentale in un'indagine pluriennale sul comportamento hygrothermo-meccanico di diversi tipi di compositi sandwich FRP per turbine eoliche dind applicazioni di ingegneria navale. I dati di test sono utilizzati per calibrare i parametri nelle equazioni costitutive viscoelastiche dei compositi polimerici. I modelli costitutivi sono basati sul lavoro svolto negli anni da Muliana e collaboratori ^27-30. Il secondo obiettivo era di avere un basso costo e piattaforma di prova user-friendly, per esempio uno che potrebbe essere facilmente trasferito in un laboratorio (ad esempio, ad una scala per misure di massa, o alla sorgente del fluido, ad esempio, quello proveniente da un rubinetto, una fumehood o un armadietto infiammabile). Il terzo obiettivo era quello di creare una piattaforma di test che è resistente a una serie di sostanze chimiche comunemente usate in servizio (fluido particolare idraulica, de-icing, solventi per applicazioni aerospaziali ^8-10), quindi i campioni possono essere immersi in tali sostanze chimiche, e la loro durata potrebbe essere valutata.

La camera (Figura 1) è stato costruito con polyethyle alta densitàne, che ha alta resistenza chimica. Come accennato in precedenza, si prevede che il lavoro futuro comprenderà hygrothermo-meccanica indagini di compositi immerse nel fluido idraulico, antighiaccio, solventi. Poiché termoregolazione è parte integrante di test, polistirene espanso era adatta intorno ai lati del serbatoio ed è fissato in posizione da nastro e il telaio in acciaio stesso, per impedire lo scambio termico con l'ambiente.

Il coperchio della camera (Figura 2) è stato fabbricato da trasparente in policarbonato, 9,525 millimetri di spessore, consentendo agli utenti di osservare i campioni durante la prova senza disturbare il test. Il coperchio è fissato in posizione da alluminio barre a T, che erano lavorati a scivolare sotto sovrastante staffe sui lati del serbatoio.

Piegatura nei campioni è emanata da tre blocchi di alluminio, che pendono dal coperchio, e sono fissati attraverso fessure nel coperchio. I tre blocchi consentono fino a quattro specimens da testare in una sola volta, mentre le fessure coperchio consentono la spaziatura blocco da regolare a seconda della lunghezza dei campioni. Ciascun blocco viene arrotondato al bordo di contatto ad un diametro 12,7 millimetri, in aderenza alla norma ASTM D790-10. I campioni sono posizionati sotto due dei tre blocchi, con una forza verso l'alto applicata al suo centro per indurre piegatura (figure 1-2).

L'apparecchio è stato progettato con la massima versatilità e facilità d'uso in mente. Ruote di diametro 41,275 millimetri sono fissati sotto la camera da garantire la mobilità. Sopra di loro, il serbatoio è supportato da un telaio in acciaio saldato con fondo rete metallica e traverse di sostegno. Angolo distanziali magazzino per gli angoli esterni del serbatoio sono stati prodotti per mantenere l'isolamento di essere schiacciato dal peso e spostamento indicatori ambientali (apparato pot stringa, discusso più avanti). Intorno al top, angolo stock è stato utilizzato ancora per inquadratura. Pulegge e potenziometro stringa misure mezzeria deflessione sono montati su quattro acciaio, archi quadrati tubi (Figura 3). Il centro due archi su questi quattro portano i potenziometri archi e sono regolabili per tenere conto di campioni versatilità. I potenziometri stringa sono stati costruiti con una molla di torsione (come può essere trovato in cordini chiave a scomparsa) e potenziometri con uscite elettroniche tre punte. Le pulegge sono allineate e montate per l'uso con un cavo d'acciaio che parte da un collegamento rigido dal campione ad un'asta appesa sul lato della camera di applicazione dei pesi regolabile.

Il carico viene applicato il campione utilizzando una serie di cavi, pulegge, collegamenti e bulloni. Innanzitutto, il campione viene inserito nel cavallotto modo che la barra trasversale da 10 mm è contatto con il centro della campata. Un tondino di acciaio di diametro 9,525 millimetri con golfari alle estremità viene poi collegata al cavallotto. Questa connessione acciaio passa attraverso il coperchio della camera. Un cavo d'acciaio e kevlar thread sono attaccati al golfare di fronte al cavallotto. Questo permette al filo Kevlar dal potenziometro stringa di leggere i dati da un punto solidale. Il cavo d'acciaio continua verso l'alto e passa sopra due pulegge che permettono il carico da applicare alla periferia del serbatoio. Il cavo viene poi collegato ad un tondino di acciaio di diametro 9,525 millimetri che serve come un gancio di peso scanalata. Questo gancio fornisce un posto dove i pesi asolati possono essere impostati in modo da applicare il carico desiderato.

Protocol

1. Caricare i campioni Sollevare il coperchio del serbatoio e appoggiarlo sui supporti laterali (Figura 4). Posizionare il campione nel cavallotto, e garantire che la barra trasversale è in contatto al centro del campione. Appoggiare le estremità del provino sui supporti di alluminio pendono dal coperchio. Le estremità dei campioni dovrebbero avere 5-10 mm di sporgenza. Ripetere i passaggi 1,2-1,4 per tutti i campioni che saranno testati. Rimuovere i…

Representative Results

L'apparecchiatura di prova è svolta con successo campioni immersi in un fluido in tre punti piegatura. Con precisioni ragionevoli, i campioni possono essere caricati e testati con letture accurate dei potenziometri per mid-point deflessione modifiche. La variazione di resistenza elettrica può essere registrato 4 cifre significative, con conseguente spostamento risoluzione dell'ordine di 0,1 micron. Test Hygrothermo-meccaniche sono state condotte a temperatura ambiente su due gruppi…

Discussion

Dai dati acquisiti, si può vedere che lo scenario test simultaneo ha influenzato la durabilità dei campioni schiuma di poliuretano a celle chiuse. Questo può essere visto confrontando notevolmente differenti spostamenti (Figura 5) e carichi residui al fallimento (Figura 6) di campioni asciutto e bagnato. Figura 7 mostra le immagini dei campioni dopo le prove di resistenza residua. Va inoltre osservato che, mentre lo spostamento dei campioni secco fino a stabilizzarsi…

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