Una plataforma de pruebas de Estudios de durabilidad de Polímeros y reforzados con fibra de polímero composites bajo estímulos Concurrente Hygrothermo-mecánica
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 durabilidad de los polímeros y compuestos de polímeros reforzados con fibra bajo condiciones de servicio es un aspecto crítico para ser abordado por sus diseños robustos y mantenimiento basado en la condición. Estos materiales se adoptan en una amplia gama de aplicaciones de ingeniería, de estructuras de aeronaves y buques, a los puentes, palas de aerogeneradores, biomateriales e implantes biomédicos. Los polímeros son materiales viscoelásticos, y su respuesta puede ser altamente no lineal y por lo tanto hacer que sea difícil de predecir y controlar su comportamiento en servicio. La plataforma de pruebas a escala de laboratorio se presenta en este documento ayuda a la investigación de la influencia de cargas mecánicas concurrentes y las condiciones ambientales sobre estos materiales. La plataforma se ha diseñado para ser de bajo costo y fácil de usar. Sus materiales resistentes a químicos hacen que la plataforma adaptable a los estudios de degradación química debido a la exposición en el servicio a los fluidos. Un ejemplo de experimento se llevó a cabo a RT en células cerradas de poliuretanomuestras de espuma cargada con un peso correspondiente a ~ 50% de su máxima carga estática y seco. Los resultados muestran que el aparato de ensayo es apropiado para estos estudios. Los resultados también ponen de relieve la mayor vulnerabilidad del polímero bajo carga concurrente, sobre la base de los desplazamientos de punto medio superior y cargas de rotura residuales inferiores. Se hacen recomendaciones para mejoras adicionales en el aparato de prueba.
Introduction
El polímero y polímero reforzado con fibras (FRP) compuestos se han adoptado en una variedad de estructuras de ingeniería, que van desde aviones y naves espaciales, buques de guerra, infraestructuras civiles, (véase, por ejemplos los comentarios de Katnam et al. 1, 2 Hollaway, Mouritz et al . 3), coches y trenes, palas de aerogeneradores, a prótesis y biomateriales para suturas e implantes. Durabilidad Estos materiales se ve afectada por los escenarios complejos de servicios, que pueden incluir una combinación de a) termomecánica de carga, por ejemplo, ciclos hielo-deshielo en infraestructura civil, 4, perfiles subsónicos vuelo / supersónico 5, el desgaste de polietileno con respaldo metálico 6) ; b) la degradación debida a los agentes ambientales y químicos, por ejemplo, agua de mar, de deshielo, fluidos hidráulicos para la industria aeroespacial y naval estructuras 10/07, de degradación de compuestos dentales polimetilmetacrilato debido a la saliva de 11; c) inte complejoracciones de materiales en las articulaciones fijadas o unidas, por ejemplo, la corrosión galvánica y desunión entre materiales distintos, ya sea en un parche de reparación de carbono / fibra en una piel de aluminio del avión, o una placa ósea / PEEK carbono fijado por el acero inoxidable 12.
Hay lamentablemente limitado conocimiento del impacto de los estímulos simultáneos en servicio en la durabilidad a largo plazo de estos materiales. La mayoría de los polímeros pueden ser categorizados como materiales viscoelásticos. Cargas mecánicas y las condiciones ambientales influyen significativamente la respuesta viscoelástica de polímeros. Por lo tanto, los modelos fiables de comportamiento a largo plazo de estos materiales deberían ser capaces de incorporar las respuestas en función del tiempo para higrotérmico acoplado, estímulos mecánicos, químicos. Esto a su vez mejorar las predicciones de diseño, seguridad y protocolos de mantenimiento / reemplazo basados en condiciones.
Hay un cuerpo de literatura general sobre ensayos experimentales sobre los efectos higrotérmicas, Para las pruebas de difusión ejemplo higrotérmicas: si la escala de las muestras lo permite, las muestras de material pueden estar colocados en una cámara a los niveles de humedad y temperatura deseados. Las muestras se retiran periódicamente para medir su masa y / o cambios de volumen para una cantidad dada de tiempo, de semanas a años 10,13-17. La prueba higrotérmico puede ser seguido por pruebas mecánicas, es decir, la fuerza estática / fatiga residual / pruebas de mecánica de fractura 17-19, que sólo da información sobre el efecto de los estímulos higrotérmico en las respuestas mecánicas de los materiales. Los datos de prueba pueden ser instalados en los modelos de difusión de diversa complejidad, de la difusión de Fick simple de modelos que incluyen la dependencia de la concentración, el estrés, la temperatura, reversible física envejecimiento / plastificación y las reacciones químicas irreversibles. Esta salida experimental se puede incorporar además en los análisis estructurales.
Pocos autores han abordado el impacto de hy simultáneagrothermal y estímulos mecánicos. Entre esos materiales compuestos FRP investigan, Neumann y Garom 20 inmersa estresados y no estresados muestras en agua destilada. El estrés se aplicó mediante la colocación de los especímenes dentro de los resortes de acero inoxidable comprimido, ajuste de la carga mediante el uso de diferentes rigideces de resorte y cargas de compresión. Un procedimiento similar se informó por Wan et al. 21. Helbling y Karbhari 22 emplearon un accesorio doblado dentro de una cámara ambiental para diferentes porcentajes de humedad relativa (HR%) y los niveles de temperatura. Las muestras pre-acondicionado fueron sometidos a un nivel de deformación por flexión dado, correspondiente a un porcentaje de la tensión máxima a la tracción estática para que compuesto. Kasturiarachchi y Pritchard 23 4 prepararon un punto de acero inoxidable plantilla de doblar (una por muestra) que se coloca en un estante en un gran desecador de vidrio. El desecador se llenó parcialmente con agua destilada, tenía pequeñas fugas para evitar la buildup de la presión, y se colocó en una cámara de humedad a 95% de HR. Gellert y Turley 7 investigados de grado marino muestras compuestas FRP por su durabilidad bajo carga de fluencia combinado y 100% de humedad relativa. Sus muestras se cargaron en 4 puntos de flexión a una carga constante igual a 20% del fallo de la carga de flexión estática, mientras que totalmente sumergida en agua de mar. La deflexión de fluencia fue adquirida periódicamente mediante el uso de un calibre de espesor entre la superficie exterior de la viga en la sección transversal central, y una placa de vidrio (se infiere que dicha medición se realizó fuera de la cámara). Abdel-Magid et al. 24 coloca muestras de vidrio / epoxi en un accesorio del medio ambiente Invar que fue proporcionada por la NASA Langley, ya que las muestras se cargaron en tensión a lo largo de la dirección de la fibra, al 20% de la carga axial máxima. Ellyin y Rohrbarcher 25 corrieron pruebas higrotérmicas para un máximo de 140 días, y luego probaron los especímenes en la fatiga en una máquina de prueba hidráulica. El espécimens se envolvieron en un paño de queso en húmedo conectada a un tubo y un suministro de agua. Earl et al. 26 coloca su dispositivo de carga y las muestras en una cámara ambiental grande (5,5 m 3).
Como se discutió en muchos estudios experimentales, las condiciones ambientales afectan a las propiedades y respuestas mecánicas de los polímeros. Algunos experimentos limitados también muestran que la existencia de mecánica de tensión / deformación influye en el proceso de difusión en los polímeros. Por lo tanto, para mejorar la comprensión en el rendimiento global de los materiales a base de polímeros en virtud de efectos mecánicos y no mecánicos, existe una necesidad de pruebas concurrente.
Hubo varios objetivos detrás del diseño de la plataforma de pruebas se discute en este trabajo. En primer lugar, la plataforma forma parte de la configuración experimental en una investigación de varios años en el comportamiento hygrothermo mecánica de los diferentes tipos de materiales compuestos sándwich FRP para el viento turbina de unaplicaciones de ingeniería naval nd. Los datos de prueba se utilizan para calibrar los parámetros en las ecuaciones constitutivas viscoelásticas para los materiales compuestos poliméricos. Los modelos constitutivos se basan en el trabajo desarrollado a lo largo de los años por Muliana y colaboradores 27-30. El segundo objetivo era tener un bajo coste y de plataforma de pruebas fácil de usar, por ejemplo, uno que podría ser fácilmente trasladado en un laboratorio (por ejemplo, a una escala para las mediciones de masa, o a la fuente del fluido, por ejemplo, uno que viene de un grifo, una campana de humos o un armario inflamable). El tercer objetivo fue crear una plataforma de pruebas que es resistente a una serie de productos químicos comúnmente utilizados en el servicio (en particular, fluido hidráulico, de deshielo, disolventes de limpieza para aplicaciones aeroespaciales 8-10), así especímenes podrían ser sumergidos en tales productos químicos, y su durabilidad puede ser evaluada.
La cámara (Figura 1) se construyó con polyethyle de alta densidadne, que tiene alta resistencia química. Como se mencionó anteriormente, se espera que el trabajo futuro incluirá investigación-hygrothermo mecánica de materiales compuestos sumergidos en el fluido hidráulico, de deshielo, disolventes de limpieza. Puesto que la regulación térmica es un aspecto integral de la prueba, espuma de poliestireno expandido se ajusta alrededor de los lados del tanque y se fija en su lugar por cinta y la estructura de acero en sí, para evitar el intercambio de calor con el medio ambiente.
La tapa de la cámara (Figura 2) se fabrica a partir de policarbonato transparente o de 9,525 mm de grosor, permitiendo que los usuarios observar las muestras durante la prueba sin molestar a la prueba. La tapa se sujeta en su lugar por las barras en T de aluminio, que se mecanizaron a deslizarse bajo que sobresale por soportes en los lados del tanque.
Doblado en las muestras se promulgó por tres bloques de aluminio, que cuelgan hacia abajo desde la tapa, y se fijan a través de las ranuras de la tapa. Los tres bloques permiten hasta cuatro specimens a ensayar a la vez, mientras que las ranuras de la tapa permiten el espaciado de bloque que se ajusta en función de la longitud de los especímenes. Cada bloque está redondeado en el borde de contacto a un diámetro de 12,7 mm, en la adhesión a la norma ASTM D790-10. Los especímenes se colocan debajo de dos de los tres bloques, con una fuerza hacia arriba aplicada en su centro para inducir flexión (Figuras 1-2).
El aparato ha sido diseñado con la máxima versatilidad y facilidad de uso en mente. Ruedas con 41.275 mm de diámetro se fijan debajo de la cámara para fines de movilidad. Por encima de ellos, el tanque está soportado por un marco de acero soldado con un fondo de malla de alambre y vigas transversales de apoyo. Ángulo espaciadores de existencias de las esquinas de tanques externos fueron fabricados para mantener el aislamiento de ser aplastado por el peso y el desplazamiento indicadores generales (aparato olla cadena, se verá más adelante). Alrededor de la parte superior, el ángulo stock se utilizó de nuevo para enmarcar. Sistemas de poleas y potenciómetro cadena a Measure flexión mitad del tramo se montan en cuatro de acero, arcos cuadrados de tubería (Figura 3). Los centros de dos arcos fuera de estos cuatro llevan los potenciómetros de cuerda y son ajustables para dar cuenta de la muestra versatilidad. Los potenciómetros de cadena se construyeron utilizando un resorte de torsión (como se puede encontrar en cordones llave retráctil) y potenciómetros con salidas electrónicas de tres puntas. Las poleas están alineados y montados para su uso con un cable de acero que va desde una conexión rígida con el espécimen a una varilla que cuelga sobre el lado de la cámara para la aplicación de peso ajustable.
La carga se aplica a la muestra con una serie de cables, poleas, vínculos y pernos. En primer lugar, la muestra se coloca en el perno en U de modo que la barra transversal 10 mm está en contacto con el medio de la luz. Una varilla de acero de diámetro 9,525 mm con pernos de ojo en cada extremo se conecta entonces a la U-perno. Esta conexión de acero pasa a través de la tapa de la cámara. Un cable de acero y Kevlar tHRead están unidos al cáncamo enfrente del U-bolt. Esto permite que el hilo de Kevlar del potenciómetro cadena para leer datos desde un punto rígido. El cable de acero continúa hacia arriba y pasa por encima de dos poleas que permiten que la carga que se aplique en la periferia del tanque. El cable se une entonces a una varilla de acero de diámetro 9,525 mm que sirve como una percha peso ranurada. Esta percha proporciona un lugar donde los pesos ranurados se pueden ajustar con el fin de aplicar la carga deseada.
Protocol
Representative Results
Discussion
A partir de los datos adquiridos, se puede observar que el escenario de prueba concurrente afectó a la durabilidad de las muestras de espuma de poliuretano de celda cerrada. Esto se puede ver comparando los desplazamientos significativamente diferentes (Figura 5) y cargas residuales al fracaso (Figura 6) de las muestras secas y húmedas. La Figura 7 muestra imágenes de los especímenes después de los ensayos de resistencia residual. También debe observarse que, mien…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen Destino García, Serena Ferraro, Erik Quiroz y Steven Kern (Composites Avanzados de Investigación, Ingeniería y Ciencia de laboratorio) por su ayuda en el diseño y fabricación de la configuración de la prueba. Shawn Malone, Michael Akahori, David Kehlet (Laboratorio de Ingeniería de Fabricación) son reconocidos por sus sugerencias y ayuda en el proceso de mecanizado. El apoyo de la Fundación Nacional de Ciencia (beca de colaboración CMMI-1265691 y su suplemento REU) y la Oficina de Investigación Naval (N00014-13-1-0604 a A. Muliana, Texas & M University (investigador principal), y V. La Saponara , dirigido por el director del programa Yapa Rajapakse) son gratamente apreciados.
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
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