En Testing Plattform for holdbarhetstester av Polymers og fiberarmert Polymer Composites henhold Concurrent Hygrothermo mekanisk 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

Holdbarheten av polymerer og fiberarmert polymer kompositter henhold tjeneste tilstand er et viktig aspekt som skal behandles for sine robuste design og tilstandsbasert vedlikehold. Disse materialene er vedtatt i et bredt spekter av tekniske applikasjoner, fra fly- og skipskonstruksjoner til broer, vindturbinblader, biomaterialer og biomedisinsk implantater. Polymerer er viskoelastiske materialer, og deres reaksjon kan være svært lineær og dermed gjøre det vanskelig å forutsi og overvåke deres in-service ytelse. Laboratoriet-skala testing plattform som presenteres her bistår etterforskningen av påvirkning av samtidige mekaniske belastninger og miljøforhold på disse materialene. Plattformen er designet for å være rimelig og brukervennlig. Kjemisk bestandige materialer gjør plattformen tilpasningsdyktig til studier av kjemisk nedbrytning på grunn av i-tjeneste eksponering for væske. Et eksempel på et eksperiment ble utført ved romtemperatur på lukket-celle polyuretanskumprøver lastet med en vekt tilsvarende ca. 50% av sin endelige statisk og tørr last. Resultatene viser at testapparatet er passende for disse studiene. Resultater også markere større sårbarhet for polymeren henhold samtidige lasting, basert på de høyere midtpunkt forskyvninger og lavere restfeilbelastninger. Anbefalinger er gjort for ytterligere forbedringer i testapparatet.

Introduction

Polymer og fiberarmert polymer (FRP) kompositter er vedtatt i en rekke byggverk, alt fra fly og romfartøy, marinefartøyer, sivil infrastruktur, (se eksempler vurderinger av Katnam et al. ^1, Hollaway ^2, Mouritz m.fl. . ^3), biler og tog, vind turbinblader, til protetikk og biomaterialer for sting og implantater. Disse materialene 'holdbarhet påvirkes av komplekse tjenester scenarier, som kan inkludere en kombinasjon av en) termo-mekanisk belastning, f.eks fryse-tine sykluser i sivil infrastruktur ^4, profiler Subsonic / supersonisk fly ^5, slitasje i metall-støttet polyetylen ⁶⁾ ; b) degradering på grunn av miljømessige og kjemiske midler, for eksempel, sjøvann, de-icing, hydraulisk væske for luftfart og marine konstruksjoner ^7-10, fornedrelse av polymetylmetakrylatkuler dentale kompositter på grunn av spytt ^11; c) kompleks interactions av materialer i festet eller limte skjøter, for eksempel, galvanisk korrosjon og debonding mellom ulike materialer, enten i et karbon / fiber patch reparasjon på et fly aluminium hud, eller en karbon / PEEK bein plate festet med rustfritt stål ^12.

Det er dessverre begrenset kunnskap om virkningen av samtidige i-tjeneste stimuli på den langsiktige holdbarheten av disse materialene. De fleste polymerer kan bli kategorisert som viskoelastiske materialer. Mekaniske belastninger og miljøforhold ha stor innflytelse på viskoelastiske responsen av polymerer. Derfor bør pålitelige modeller for disse materialene langsiktige oppførsel kunne innlemme tidsavhengige responser til kombinert hygrotermiske, mekaniske, kjemiske stimuli. Dette i sin tur vil bedre utforming spådommer, sikkerhet og tilstandsbasert vedlikehold / utskifting protokoller.

Det er en stor litteratur kropp på eksperimentell testing på hygrotermiske effekterFor eksempel hygrotermiske diffusjonstester: hvis omfanget av prøvene tillater det, materialprøvene kan være plassert i et kammer ved ønskede fuktighets- og temperaturnivåer. Prøvene blir fjernet med jevne mellomrom for å måle deres masse og / eller volumendringer for en gitt tidsperiode, fra uker til år ^10,13-17. Den hygrotermiske testen kan bli etterfulgt av mekanisk testing, dvs. rest statisk / tretthet styrke / fraktur mekanikk testing ^17-19, som bare gir informasjon om effekten av hygrotermiske stimulans på de mekaniske svarene av materialer. Testdata kan monteres til diffusjon modeller av varierende kompleksitet, fra enkle Fick diffusjon til modeller som inkluderer avhengigheten av konsentrasjon, stress, temperatur, reversibel fysisk aldring / mykgjøring og irreversible kjemiske reaksjoner. Denne eksperimentelle utgang kan videre innarbeides i strukturanalyser.

Noen forfattere har adressert effekten av samtidig hygrothermal og mekaniske stimuli. Blant de forsker Frp kompositter, Neumann og Garom ²⁰ nedsenket stresset og trykklette eksemplarer i destillert vann. Stress ble påført ved å plassere prøvene inni komprimerte fjærer i rustfritt stål, tuning belastningen ved hjelp av ulike fjærstivheter og trykkbelastninger. En lignende prosedyre er rapportert av Wan et al., ^21. Helbling og Karbhari ²² ansatt en bøye ligaen inne et miljøkammer for ulike relative luftfuktighet prosenter (RH%) og temperaturnivåer. De forbehandlede prøver ble underkastet en gitt bøyestamme nivå, som svarer til en prosentandel av den statiske strekkstamme for at kompositten. Kasturiarachchi og Pritchard ²³ utarbeidet en rustfritt stål 4-punkts bøying pilk (ett per eksemplar) som ble plassert på en hylle i et stort glass eksikkator. Eksikkatoren ble delvis fylt med destillert vann, hadde små lekkasjer for å hindre buildup av trykk, og er plassert i et fuktighetskammer ved 95% relativ fuktighet. Gellert og Turley ⁷ undersøkt marine-grade Frp kompositt prøver for sin holdbarhet i henhold kombinert krype lasting og 100% RF. Deres Prøvene ble påført i fire-punkts bøyning ved en konstant belastning lik 20% av svikt statisk bøyning belastning, mens fullt neddykket i sjøvann. Krype avbøyning ble kjøpt periodisk ved hjelp av en tykkelse mellom den ytre overflate av bjelken i den sentrale tverrsnitt, og en glassplate (det utledes at en slik måling ble utført på utsiden av kammeret). Abdel-Magid et al., ²⁴ er lagt inn prøver av glass / epoksy i en Invar miljø armatur som ble gitt av NASA Langley, da prøvene ble lagt i strekk langs fiberretningen, ved 20% av den endelige aksiale belastning. Ellyin og Rohrbarcher ²⁵ kjørte hygrotermiske tester for opp til 140 dager, og deretter testet prøvene i trøtthet på en hydraulisk testing maskin. Prøvens ble pakket inn i et vått osteklede som er koblet til et rør, og en vanntilførsel. Earl ²⁶ mfl. Posisjonert deres lasting av ligaen og prøvene i en stor miljøkammer (5,5 m ^3).

Som omtalt i mange eksperimentelle studier, miljøforholdene påvirker polymerer enes mekaniske egenskaper og reaksjoner. Noen begrensede forsøk viser også at eksistensen av mekanisk påkjenning / belastning påvirker diffusjonsprosess i polymerene. Derfor, for å forbedre forståelsen av den generelle ytelsen til polymerbaserte materialer under både mekanisk og ikke-mekaniske effekter, er det et behov for samtidig testing.

Det var flere mål bak utformingen av testplattform diskutert i dette papiret. Først, er plattformen del av det eksperimentelle oppsettet i en multi-års etterforskning på hygrothermo-mekaniske oppførsel av forskjellige typer FRP sandwich-kompositter for vindturbin ennd marine tekniske applikasjoner. Testdata brukes til å kalibrere parametrene i de viskoelastiske konstitutive ligninger for de polymerkompositter. De konstitutive modellene er basert på den utviklet seg gjennom årene ved Muliana og kollaboratører ^27-30 arbeid. Det andre målet var å ha en lav pris og brukervennlig testplattform, for eksempel en som lett kan flyttes i et laboratorium (for eksempel, til en målestokk for massemåling, eller til kilden av fluid, for eksempel en som kommer fra en kran, et fumehood eller en brennbar kabinett). Det tredje målet var å skape en testplattform som er resistent mot en rekke kjemikalier som vanligvis brukes i tjeneste (spesielt hydraulisk væske, de-icing, løsemidler for luftfart applikasjoner ^8-10), og dermed prøver kan være midt i slike kjemikalier, og deres holdbarhet kunne bli vurdert.

Kammeret (Figur 1) ble konstruert med høy tetthet PEGne, som har høy kjemisk resistens. Som nevnt ovenfor, er det ventet at det videre arbeidet vil omfatte hygrothermo-mekanisk undersøkelse av kompositter nedsenket i hydraulisk væske, avising, løsemidler. Siden termisk regulering er en integrert del av testing, ble ekspandert polystyrenskum passe rundt sidene av tanken, og festet på plass ved hjelp av båndet og stålkonstruksjonen i seg selv, for å hindre varmeutveksling med omgivelsene.

Lokket av kammeret (figur 2) ble fremstilt av transparent, 9,525 mm tykk polykarbonat, slik at brukerne kan observere prøvene under testing uten å forstyrre testen. Lokket er festet på plass ved aluminium T-profil, som var maskinert for å skyve under hengende brakettene på hver side av tanken.

Bøying i prøvene er vedtatt av tre aluminiums blokker, som henger ned fra lokket, og er festet gjennom sporene i lokket. De tre blokkene tillater opp til fire specimens som skal testes på en gang, mens lokket sporene tillate blokken avstanden kan justeres avhengig av lengden av prøvene. Hver blokk er avrundet i kontaktkanten til en 12,7 mm diameter, i tilslutning til ASTM standard D790-10. Prøvene blir plassert under to av de tre blokker, med en oppadrettet kraft som utøves på sitt senter for å indusere bøye (figurene 1-2).

Apparatet er designet med maksimal allsidighet og lette-av-bruk i tankene. Trinser med mm diameter 41,275 er festet under kammeret for mobilitet formål. Ovenfor dem, er tanken støttes av en sveiset stålramme med en netting bunn og tverrbjelker for støtte. Vinkel lager avstandsstykker for de utvendige tank hjørnene ble produsert for å holde isolasjonen fra å bli knust av overhead vekt og forskyvning målere (string potten apparat, diskutert senere). Rundt toppen, ble vinkelen lager brukes igjen for innramming. Trinse og streng potensiometerpluggene systemer til målere midt i spenn avbøyning er montert på fire stål, kvadratisk rør buer (figur 3). Senteret to buer ut av disse fire bære strengen potensiometre og kan justeres til å gjøre rede for prøve allsidighet. Strengen potensiometre ble bygget ved hjelp av en torsjonsfjær (som kan finnes i uttrekknøkkel lanyards) og potensiometre med tredelt elektroniske utganger. Trinsene er innrettet og montert for bruk med en stålkabel som løper fra en stiv forbindelse av prøven til en hengende stang over siden av kammeret for justerbar vekt søknad.

Lasten påført prøven ved hjelp av en serie av kabler, skiver, bindinger og bolter. Først blir prøven plassert i den U-bolten slik at 10 mm tverrstangen er i kontakt med midten av spennet. En 9,525 mm diameter stålstang med øyebolter i hver ende blir deretter koplet til U-bolten. Dette stålet forbindelse passerer gjennom lokket av kammeret. En stålkabel og Kevlar thread er festet til øyebolten på motsatt side av U-bolten. Dette gjør det mulig for Kevlar tråd fra strengen potensiometer for å lese data fra et stivt punkt. Stålkabel fortsetter oppover og går over to trinser som gjør at lasten som skal anvendes ved periferien av tanken. Kabelen er så festet til en 9,525 mm diameter stålstang som tjener som en slisset vekt hengeren. Denne hengeren tilbyr et sted hvor de avlange vekter kan stilles for å kunne søke ønsket belastning.

Protocol

1. Legge prøvene Heve lokket av tanken og hviler på sidestøttene (figur 4). Plasser prøven i U-bolt, og sikre at korset bar er å ta kontakt på midten av prøven. Hviler endene av prøven på aluminium bærere som henger ned fra lokket. Endene av prøvene bør ha 5-10 mm overheng. Gjenta trinn 1.2 til 1.4 for alle prøvene som skal testes. Ta av lokket støtter, nedre øyelokk, og sørg for at lokket sitter på kanten av tanken. Anvende d…

Representative Results

Testapparatet har med hell holdt prøvestykker nedsenket i et fluid i henhold til tre-punkts bøying. Med rimelige presiseringer, kan prøvene være lastet og testet med nøyaktige avlesninger fra potensiometere for mid-point deflection endringer. Endringen i elektrisk resistans kan tas opp til 4 signifikante tall, noe som resulterer i en forskyvningsoppløsning på i størrelsesorden 0,1 um. Hygrothermo-mekaniske forsøk ble gjennomført ved romtemperatur i to grupper på fire prøver av lu…

Discussion

Fra de innhentede data, kan det sees at den samtidige testscenario påvirke holdbarheten av lukket-celle-polyuretan skumprøver. Dette kan sees ved å sammenligne de forskjellige forskyvninger i betydelig grad (figur 5) og restbelastninger til svikt (figur 6) av tørre og våte prøver. Figur 7 viser bilder av prøvene etter at de resterende styrketester. Det bør også bemerkes at, mens forskyvningen av de tørre prøvene nådd stabil tilstand i løpet av observasjonsi…

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