Σύνθετα Υλικά: Χαρακτηρισμός και Ιδιότητες

Transcript

1 Σύνθετα Υλικά: Χαρακτηρισμός και Ιδιότητες Εργαστηριακή Άσκηση 3: Μηχανικός Χαρακτηρισμός της Διεπιφάνειας Ίνας- Μήτρας Χρήση Ακουστικής Εκπομπής και Μικροσκοπίας Διδάσκοντες: Α. Παϊπέτης, Αν. Καθηγητής, Δρ. Μηχ/γος Μηχανικός Εργαστηριακή Υποστήριξη: Τ. Μπέκας, Υποψήφιος Διδάκτορας Κ. Τσίρκα, Υποψήφια Διδάκτορας 1

2 Προηγμένα σύνθετα υλικά πολυμερούς μήτρας s ίνα: στερρή, ψαθυρή σύνθετο ίνα: αντοχή, δυσκαμψία μήτρα: Ενδοτική, όλκιμη Δ Ι Ε Π Ι Φ Α Ν Ε Ι Α Ο κανόνας των μιγμάτων: e μήτρα: συνδετικό υλικό, μεταφορά τάσης, προστασία s = s f V f + s m V m διεπιφάνεια: συνάρτηση του θερμικού, μηχανικού και χημικού περιβάλλοντος 2

3 Μεταφορά τάσης 3

4 Μεγάλο μήκος μεταφοράς τάσης 4

5 5

6 Μικρό μήκος μεταφοράς τάσης 6

7 7

8 G (σ) Αστοχία της διεπιφάνειας l G 1 1 u l m σ l Αντοχή σε θραύση, σ σ u m Όπου: N i1 l 2r 6 5 s i / N Παράμετρος μεγέθους Παράμετρος σχήματος και s N i1 i N

9 Υπέρηχοι Τυπώνοντας το λογάριθμο της αντοχής ως προς το λογάριθμο του μήκους η σχέση είναι γραμμική 9

10 Αστοχία της διεπιφάνειας matrix fibre matrix mode I (a) fibre matrix fibre matrix mode II matrix fibre fibre (b) (c) fibre fibre matrix fibre matrix matrix mixed mode 10

11 Ο ρόλος της διεπιφάνειας [Reifsnider, 1994] Θραύσεις ινών Η μήτρα μεταφέρει την τάση μέσω της διεπιφάνειας κατά μήκος του «ανενεργού μήκους» Μεγάλο «ανενεργό μήκος» οδηγεί στη μεγέθυνση του όγκου επιρροής της θραύσης και μεγαλώνει την πιθανότητα για αλληλεπίδραση των θραύσεων Μικρό «ανενεργό μήκος» οδηγεί σε μεγάλες συγκεντρώσεις τάσεων και ψαθυρή αστοχία 11

12 Συγκέντρωση τάσης Σύνθετα υλικά: Θραύση και συγκέντρωση τάσης Γειτονικές ίνες Θραύσεις ινών 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Απόσταση κατά μήκος της ίνας Ανενεργό μήκος (ineffective length) Θραύση ίνας Η μήτρα μεταφέρει την τάση μέσω της διεπιφάνειας κατά μήκος του «ανενεργού μήκους» Μεγάλο «ανενεργό μήκος» οδηγεί στη μεγέθυνση του όγκου επιρροής της θραύσης και μεγαλώνει την πιθανότητα για αλληλεπίδραση των θραύσεων Μικρό «ανενεργό μήκος» οδηγεί σε μεγάλες συγκεντρώσεις τάσεων και ψαθυρή αστοχία 12

13 Fragmentation test [Kelly, 1965] Με την αύξηση του εξωτερικά εφαρμοζόμενου φορτίου νέες θραύσεις εμφανίζονται στην ίνα, έως το σημείο που η διαδικασία της πολλαπλής θραύσης φθάνει σε κορεσμό (Kelly and Tyson, 1965). Ο κορεσμός είναι το φαινόμενο όπου η ίνα δεν έχει πλέον κρίσιμο μήκος και σταματά να σπάει. Αξίζει να σημειωθεί ότι εάν δεν υπήρχε η αστοχία της διεπιφάνειας, οι θραύσεις θα συνεχίζονταν μέχρι τη μακροσκοπική αστοχία του δοκιμίου. Έτσι ο κορεσμός συσχετίζεται με την αντοχή της διεπιφάνειας Fragmentation Gauge Length σ f Distance Along the Gauge Length x 13

14 Μικρό μήκος μεταφοράς τάσης: Κορεσμός; 14

15 Fragmentation test [Kelly, 1965] Fragmentation Gauge Length f Για τον υπολογισμό της διεπιφανειακής αντοχής, πρέπει να οριστεί το τασικό πεδίο. Για σταθερή διάτμηση, το πρόβλημα απλοποιείται [Kelly, 1965]: R R ακτίνα Lc κρίσιμο μήκος Distance σalong fu αντοχή the Gauge της Length ίνας x στο κρίσιμο μήκος rz l c fu 15

16 Fragmentation test [Kelly, 1965] Fragmentation Gauge Length f Σχέση κρίσιμου μήκους και μήκους θραυσμάτων Πειραματική μέτρηση μήκους θραυσμάτων με οπτικές ή ακουστικές μεθόδους Το μήκος που μετράται σχετίζεται με το μήκος πριν τη θραύση: Είναι οριακά το μισό του μήκους πριν τη θραύση εάν έχει σπάσει και κατόπιν η μεταφορά τάσης δεν επαρκούσε για άλλη θραύση (lc/2) Είναι οριακά το μέγιστο μήκος που δεν μπορεί να υποστεί άλλη θραύση (lc) Είναι ενδιάμεσα στις παραπάνω περιπτώσεις Για ισοκατανομή των μηκών μεταξύ των οριακών περιπτώσεων: Distance Along the Gauge Length x lc = 4/3 lf 16

17 Προετοιμασία δοκιμίων 17

18 (c) Μηχανικός χαρακτηρισμός χρήση ακουστικής εκπομπής και μικροσκοπίας tape (a) resin glue (b) glue tape (c) 0.5 mm (a) 18

19 Υπάρχουν μερικές διαφορές μεταξύ των οπτικών και ακουστικών μετρήσεων για χαμηλά aspect ratios (λόγος μήκους προς διάμετρο) σε ψαθυρή μήτρα. Αυτό μπορεί να συμβαίνει γιατί οι αισθητήρες AE είχαν διάμετρο 1 mm. Καλύτερη συμφωνία επιτυγχάνεται όταν χρησιμοποιείται περισσότερο όλκιμη μήτρα, η οποία οδηγεί σε υψηλά aspect ratios. Ένα πλεονέκτημα της μεθόδου ακουστικής εκπομπής είναι ότι δεν απαιτεί διαφανή μήτρα οπότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε μέταλλα και σε πολλά κρυσταλλικά πολυμερή. Η περιορισμένη ευαισθησία της τεχνικής ακουστικής εκπομπής στον καθορισμό της θέσης, περιορίζει παρόλα αυτά την χρήση της σε μεγάλες ίνες. Ακουστική εκπομπή vs. Οπτικές μέθοδοι Break Density / mm Αισθητήρες ΑΕ -1 1 Room Temperature 0.5 MEBS/MY750: lc=0.42±0.10mm MUS/MY750: lc=0.48±0.12mm S train / % 19

20 Μικροσκοπία πολωμένου φωτός (a) (b) 20

21 21

22 22