ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΛΙΚΩΝ VII

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΣΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΠΙΣΗΜΗ ΤΛΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΛΙΚΩΝ VII ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ: ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΤΝΣΑΚΣΕ ΔΙΔΑΚΟΝΣΕ Α. ΠΑΪΠΕΣΗ Α. ΠΑΪΠΕΣΗ (Αν. Καθηγητής) Ν.-Μ. ΜΠΑΡΚΟΤΛΑ Ν.-Μ. ΜΠΑΡΚΟΤΛΑ (Λζκτορας) Κ. ΔΑΙΟ Κ. ΔΑΙΟ (Λζκτορας) Γ. ΓΚΙΚΑ ΕΡΓΑΣΗΡΙΑΚΗ ΤΠΟΣΗΡΙΞΗ. ΓΡΑΜΜΑΣΙΚΟ Γ. ΓΚΙΚΑ (Τποψήφιος Διδάκτορας) Ι. ΝΑΚΑ. ΓΡΑΜΜΑΣΙΚΟ (Τποψήφιος Διδάκτορας) Ι. ΣΕΛΛΟΓΛΟΤ Β. ΚΟΡΔΑΣΟ (Τποψήφιος Διδάκτορας) Μ. ΝΣΟΒΑ (Τποψήφιος Διδάκτορας) Ι. ΝΑΚΑ (Τποψήφιος Μεταπτυχιακός Φοιτητής) Α. ΗΛΙΑΔΟΤ (Τποψήφια Μεταπτυχιακή Φοιτήτρια) ΦΕΒΡΟΤΑΡΙΟ 2011

2 1

3 ΠΕΡΙΕΦΟΜΕΝΑ ΚΑΝΟΝΙΜΟ ΕΡΓΑΣΗΡΙΟΤ ΕΙΑΓΨΓΗ ΚΑΝΟΝΕ ΑΥΑΛΕΙΑ ΠΡΟΕΛΕΤΗ ΣΟ ΕΡΓΑΣΗΡΙΟ... 6 ΑΚΗΗ 1: ΚΑΣΑΚΕΤΗ ΠΟΛΤΜΕΡΙΚΨΝ ΙΝΨΝ ΜΕ ΣΗΝ ΜΕΘΟΔΟ ΣΗ ΙΝΟΠΟΙΗΗ ΑΠΟ ΣΗΓΜΑ ΕΚΣΑΗ ΣΕΡΕΑ ΚΑΣΑΣΑΗ ΕΙΑΓΨΓΗ ΘΕΨΡΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΔΙΑΣΑΞΗ ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΙΑ ΤΝΑΞΗ ΚΑΙ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΑΚΗΗ ΑΚΗΗ 2: ΠΡΟΕΣΟΙΜΑΙΑ ΔΟΚΙΜΙΨΝ ΙΝΨΝ ΓΙΑ ΜΗΦΑΝΙΚΟ ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟ ΕΙΑΓΨΓΗ ΘΕΨΡΙΑ ΠΡΟΕΣΟΙΜΑΙΑ ΔΟΚΙΜΙΨΝ ΜΗΦΑΝΙΚΟ ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟ ΙΝΨΝ ΤΝΑΞΗ ΚΑΙ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΑΚΗΗ ΑΚΗΗ 3: ΜΗΦΑΝΙΚΟ ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟ ΣΗ ΔΙΕΠΙΥΑΝΕΙΑ ΙΝΑ-ΜΗΣΡΑ ΦΡΗΗ ΑΚΟΤΣΙΚΗ ΕΚΠΟΜΠΗ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΚΟΠΙΑ ΕΙΑΓΨΓΗ ΘΕΨΡΙΑ ΠΡΟΕΣΟΙΜΑΙΑ ΔΟΚΙΜΙΨΝ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΚΣΕΛΕΗ ΔΟΚΙΜΗ ΑΝΑΛΤΗ ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΨΝ ΑΠΟΣΕΛΕΜΑΣΨΝ ΤΝΑΞΗ ΚΑΙ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΑΚΗΗ ΑΚΗΗ 4: ΜΟΡΥΟΠΟΙΗΗ ΠΟΛΤΣΡΨΣΨΝ ΠΛΑΚΨΝ ΜΕ ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΟΙΦΣΟΤ ΚΑΛΟΤΠΙΟΤ ΕΙΑΓΨΓΗ ΒΑΙΚΑ ΣΑΔΙΑ / ΚΤΚΛΟ ΚΑΣΕΡΓΑΙΑ ΕΞΟΠΛΙΜΟ ΚΑΣΕΡΓΑΙΑ ΚΑΙ SET UP ΚΑΣΑΚΕΤΗ ΤΠΟΛΟΓΙΜΟΙ ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΙΑ ΤΝΑΞΗ ΚΑΙ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΑΚΗΗ

4 ΑΚΗΗ 5: ΒΑΛΛΙΣΙΚΗ ΚΡΟΤΗ ΠΟΛΤΣΡΨΣΨΝ ΠΛΑΚΨΝ ΕΙΑΓΨΓΗ ΘΕΨΡΙΑ ΜΕΘΟΔΟΙ ΔΟΚΙΜΨΝ ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΙΑ ΤΝΑΞΗ ΚΑΙ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΑΚΗΗ ΑΚΗΗ 6: ΠΟΙΟΣΙΚΟ ΕΛΕΓΦΟ ΤΝΘΕΣΨΝ ΤΛΙΚΨΝ ΕΙΑΓΨΓΗ ΘΕΨΡΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΙΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΥΙΑ ΤΝΑΞΗ ΚΑΙ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΑΚΗΗ ΑΚΗΗ 7: ΕΥΕΛΚΤΜΟ ΚΑΣΑ ASTM ΕΙΑΓΨΓΗ ΓΕΝΙΚΑ ΠΡΟΣΤΠΑ ΑΝΑΥΟΡΑ ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΠΕΡΙΛΗΧΗ ΣΗ ΜΕΘΟΔΟΤ ΔΟΚΙΜΨΝ ΗΜΑΙΑ ΚΑΙ ΦΡΗΗ ΑΠΟΚΛΙΕΙ ΑΠΟ ΣΗ ΔΙΑΔΙΚΑΙΑ ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ ΔΕΙΓΜΑΣΟΛΗΧΙΑ ΚΑΙ ΔΟΚΙΜΙΑ ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΗ ΚΛΙΜΑΣΙΜΟ ΔΙΑΔΙΚΑΙΑ ΤΠΟΛΟΓΙΜΟΙ ΑΝΑΥΟΡΑ ΤΝΑΞΗ ΚΑΙ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΑΚΗΗ

5 ΚΑΝΟΝΙΜΟ ΕΡΓΑΣΗΡΙΟΤ 4

6 0: ΚΑΝΟΝΙΜΟ ΕΡΓΑΣΗΡΙΟΤ 0.0. ΕΙΑΓΨΓΗ κοπός του Εργαστηρίου Τλικών VII - ύνθετα Τλικά: Φαρακτηρισμός και Ιδιότητες είναι να δώσει μια άμεση πρακτική εμπειρία στο φοιτητή σχετικά με τις διαδικασίες κατασκευής συνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας, τις διαδικασίες προετοιμασίες δοκιμίων και τον χαρακτηρισμό της μηχανικής συμπεριφοράς αυτών των υλικών. Επιπλέον, διδάσκονται και διάφοροι μέθοδοι μετρήσεων και ανάλυσης των παρατηρήσεων, οι οποίες είναι απαραίτητες για κάθε είδους πειραματική εργασία. Ελπίζουμε ότι ο φοιτητής θα αποκτήσει αρκετή εμπειρία να δουλεύει σωστά και μεθοδικά, ώστε να μπορεί, να κρίνει αν πειραματικά αποτελέσματα είναι αξιόπιστα ή όχι. Για την επιτυχία του εργαστηρίου χρειάζεται προπαρασκευή. Κάθε φοιτητής πρέπει να είναι αρκετά προετοιμασμένος σχετικά με το θεωρητικό υπόβαθρο του πειράματος και με τη πειραματική διαδικασία που θα ακολουθηθεί στο εργαστήριο. ε αυτό εδώ το εγχειρίδιο δίδεται πρώτα μια περιληπτική θεωρία που αναφέρεται στο υπό εκτέλεση πείραμα. τις περισσότερες των ασκήσεων η πειραματική διαδικασία που πρέπει να ακολουθηθεί θα δίδεται σε ξεχωριστά εργαστηριακά φυλλάδια ΚΑΝΟΝΕ ΑΥΑΛΕΙΑ Απαγορεύεται αυστηρά το κάπνισμα και η κατανάλωση τροφίμων και ποτών, τόσο στους κύριους, όσο και στους βοηθητικούς χώρους του εργαστηρίου. Κατά τη διάρκεια του εργαστηρίου τα κινητά τηλέφωνα πρέπει να είναι απενεργοποιημένα. ε περίπτωση εγκαύματος ή τραυματισμού πρέπει να ειδοποιείται αμέσως ο υπεύθυνος του εργαστηρίου. Η χρήση χημικών αντιδραστηρίων και διαλυτών, γραμμών κενού και υψηλών θερμοκρασιών στα εργαστήρια καθιστά επιβεβλημένη τη λήψη υποχρεωτικών μέτρων ασφαλείας. Οι φοιτητές, (α) δεν πρέπει να εισπνέουν και γενικότερα να έρχονται σε επαφή με χημικές ουσίες. (β) απαγορεύεται να τρέχουν και να περιφέρονται άσκοπα μέσα στο χώρο του εργαστηρίου, όπως και να ενοχλούν τους συναδέλφους τους, ιδιαίτερα όταν εκτελούν χειρισμούς. (γ) είναι υποχρεωμένοι να φορούν εργαστηριακή μπλούζα η/και γυαλιά ασφαλείας στις ασκήσεις που αυτό επισημαίνεται. (δ) δεν χρησιμοποιούν συσκευές που βρίσκονται στο χώρο του εργαστηρίου, αλλά δεν σχετίζονται με την άσκηση που εκτελούν. (ε) δεν πρέπει να φορούν φακούς επαφής σε περιπτώσεις που χρησιμοποιούνται οργανικοί διαλύτες (στ) πρέπει να γνωρίζουν τα σημεία που βρίσκονται τα ντους ασφαλείας, οι πυροσβεστήρες και οι έξοδοι κινδύνου του εργαστηρίου Η χρήση ειδικών πυρίμαχων γαντιών επιβάλλεται σε περιπτώσεις χειρισμού οργάνων και δοκιμίων σε υψηλές θερμοκρασίες. Ο χειρισμός πάσης φύσεως διεργασιών που περιλαμβάνει εύφλεκτες, διαβρωτικές ή τοξικές ουσίες πρέπει να πραγματοποιείται στους απαγωγούς. Οι φοιτητές που δεν τηρούν τους κανόνες ασφαλείας του εργαστηρίου αποκλείονται από την εκτέλεση της άσκησης και χρεώνονται με την αντίστοιχη αδικαιολόγητη απουσία. 5

7 0.2. ΠΡΟΕΛΕΤΗ ΣΟ ΕΡΓΑΣΗΡΙΟ Η ώρα προσέλευσης και η διάρκεια κάθε εργαστηρίου θα τηρούνται σχολαστικά. Οι φοιτητές που καθυστερούν αδικαιολόγητα πέραν των 5 λεπτών θα θεωρούνται ΑΠΟΝΣΕ. ΑΠΟΤΙΕ Για να θεωρηθεί ολοκληρωμένη η παρακολούθηση του εργαστηρίου επιτρέπεται το πολύ μία (1) ΑΠΟΤΙΑ. Για τους φοιτητές που έχουν μια απουσία δίδεται το δικαίωμα συμπληρωματικής άσκησης η οποία θα πραγματοποιείται στο τέλος του εξαμήνου. ΒΑΘΜΟΛΟΓΙΑ Ο συνολικός βαθμός του μαθήματος θα είναι αποτέλεσμα γραπτής εξέτασης στο τέλος του εξαμήνου (70% του βαθμού), γραπτής ή και προφορικής εξέτασης κατά την διεξαγωγή των εργαστηριακών ασκήσεων (απαραίτητη η επιτυχής εξέταση 30% του βαθμού. Η αποτυχημένη εξέταση των εργαστηριακών ασκήσεων αποτελεί λόγο επανάληψης του εργαστηριακού μαθήματος. 6

8 7

9 ΕΡΓΑΣΗΡΙΑΚΗ ΑΚΗΗ 1: «ΚΑΣΑΚΕΤΗ ΠΟΛΤΜΕΡΙΚΨΝ ΙΝΨΝ ΜΕ ΣΗΝ ΜΕΘΟΔΟ ΣΗ ΙΝΟΠΟΙΗΗ ΑΠΟ ΣΗΓΜΑ ΕΚΣΑΗ ΣΕΡΕΑ ΚΑΣΑΣΑΗ» 8

10 ΑΚΗΗ 1: ΚΑΣΑΚΕΤΗ ΠΟΛΤΜΕΡΙΚΨΝ ΙΝΨΝ ΜΕ ΣΗΝ ΜΕΘΟΔΟ ΣΗ ΙΝΟΠΟΙΗΗ ΑΠΟ ΣΗΓΜΑ ΕΚΣΑΗ ΣΕΡΕΑ ΚΑΣΑΣΑΗ 1.0. ΕΙΑΓΨΓΗ Σο παρόν εργαστήριο θα ασχοληθεί με την παρασκευή πολυμερικών ινών με την μέθοδο ινοποίησης από τήγμα καθώς και την προετοιμασία ανόργανων και οργανικών ινών για τον μηχανικό χαρακτηρισμό τους. Μία σύντομη θεωρία σχετικά με την παρασκευή πολυμερικών ινών παρατίθεται στο παρόν φυλλάδιο και γίνεται μία σύντομη περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας που θα ακολουθηθεί στο εργαστήριο. Οι στόχοι της παρούσας άσκησης είναι: 1. Κατανόηση των προϋποθέσεων για κατασκευή πολυμερικών ινών υψηλής απόδοσης 2. Κατανόηση των μεθόδων ινοποίησης πολυμερικών ινών και έκτασης στερεάς κατάστασης 3. Κατασκευή ινών με την μέθοδο ινοποίησης από τήγμα 4. Έκταση ινών 1.1. ΘΕΨΡΙΑ Για την επιτυχημένη χρήση πολυμερικών ινών στην αγορά απαραίτητη προϋπόθεση είναι οι καλές μηχανικές ιδιότητες των υλικών αυτών, οι οποίες θα πρέπει να είναι συγκρίσιμες με αυτές των παραδοσιακών υλικών, αν όχι καλύτερες. Είναι ευρέως γνωστό ότι τα πολυμερή στην ισοτροπική μορφή παρουσιάζουν χαμηλές μηχανικές ιδιότητες, εξαιτίας των ασθενών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των μακρομοριακών αλυσίδων Προϋποθέσεις για ίνες υψηλής απόδοσης Η χαμηλή αντοχή και δυσκαμψία των πολυμερών εύκαμπτων αλυσίδων οφείλονται κυρίως στον τυχαίο προσανατολισμό των μακρομορίων αλλά οι μηχανικές ιδιότητες του πολυμερούς μπορούν να βελτιωθούν. Σις τελευταίες τρεις δεκαετίες, έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην ανακάλυψη των ιδιοτήτων των μακρομοριακών αλυσίδων, ιδιαίτερα στον τομέα των εφαρμογών μίας διάστασης, όπως οι ίνες. Οι ίνες αυτές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με το αρχικό υλικό, δηλαδή ανάλογα με το αν προέρχονται από πολυμερή με εύκαμπτα ή δύσκαμπτα μακρομόρια. Η κύρια διαφορά μεταξύ εύκαμπτων και άκαμπτων αλυσίδων είναι η αναγκαιότητα για επέκταση των αλυσίδων σε περίπτωση που έχουμε ευέλικτα μακρομόρια πολυμερούς έτσι ώστε να εκμεταλλευτούμε τις εγγενής δυνατότητες τους όσον αφορά τις τελικές μηχανικές ιδιότητες. Οι άκαμπτες αλυσίδες (ΡΡΣΑ ή Kevlar) τείνουν να παίρνουν με τη θέρμανση μία εκτεταμένη διαμόρφωση ενώ αντίθετα οι εύκαμπτες εμφανίζουν την τάση να διπλώνονται κατά τη διαδικασία κρυστάλλωσης Ίνες απείρου μήκους σε σύγκριση με πεπερασμένου μήκους Θεωρητικά, όλες οι εκτιμήσεις που αφορούν το τελικό μέτρο ελαστικότητας και την αντοχή εκτεταμένων πολυμερικών αλυσίδων βασίζονται στη φόρτιση αλυσίδων απείρου μήκους. την πραγματικότητα όμως, οι αλυσίδες έχουν πεπερασμένο μήκος και συνεπώς είναι αντιληπτό ότι η αντοχή τους καθορίζεται όχι μόνο από τους δεσμούς C-C αλλά και από τους δευτερεύοντες διαμοριακούς δεσμούς. Κατά τη φόρτιση μίας 9

11 σειράς τέλεια ευθυγραμμισμένων και εκτεταμένων πολυμερικών αλυσίδων πεπερασμένου μήκους, η τάση μεταφέρεται στο σύστημα μέσω των δευτερευόντων διαμοριακών δεσμών. Είναι προφανές ότι πρέπει οι αλυσίδες να αλληλεπικαλύπτονται προκειμένου να μεταφέρεται το φορτίο διαμέσου του συστήματος. Ποιοτικά, οι δεσμοί της κύριας αλυσίδας ενεργοποιούνται μόνο όταν το σύνολο των δευτερευόντων αλληλεπιδράσεων γίνει περίπου ίσο με την ενέργεια των δεσμών στη κύρια αλυσίδα. Με αυτή τη λογική, μπορούν να διαχωριστούν οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις Van der Waals, όπως στην περίπτωση του ΡΕ, από τους δεσμούς υδρογόνου που συναντώνται στις αραμιδικές ίνες. Από αυτό αναμένεται ότι για να επιτευχθούν υψηλές μηχανικές ιδιότητες σε ίνες ΡΕ, για παράδειγμα, απαιτείται υψηλό μοριακό βάρος σε συνδυασμό με μεγάλο βαθμό έκτασης των αλυσίδων και ικανοποιητική επικάλυψη μεταξύ των αλυσίδων, ώστε να υπάρχουν οι απαραίτητες διαμοριακές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αλυσίδων Μέθοδοι ινοποίησης, προσανατολισμού και έκτασης Δημιουργία ινών από το τήγμα (Μelt spinning) Αυτή η διαδικασία αναπτύχθηκε το 1930 για να παραχθεί το nylon 6 και το nylon 66. Μέχρι τότε είχαν χρησιμοποιηθεί και άλλα πλαστικά συμπεριλαμβανομένου των πολυολεφινών και των πολυεστέρων. Είναι πιο άμεση μέθοδος για να επιτευχθεί προσανατολισμός των μακρομορίων είναι να προσανατολιστούν πάνω από το σημείο τήξης, Σm, αφού σε αυτές τις θερμοκρασίες τα μακρομόρια έχουν υψηλή κινητικότητα και εμφανίζουν μικρή αντίσταση στην παραμόρφωση. Η ινοποίηση είναι δυνατή δια της εν θερμώ εκβολής μέσω μικρής οπής του τήγματος του πολυμερούς. Η ρευστή εκβαλλόμενη ίνα εκτείνεται και ψύχεται, είτε αποκλειστικά στον αέρα είτε αρχικά στον αέρα και στην συνέχεια σε λουτρό. Μέσω της μεθόδου αυτής ινοποιούνται πολλά μη διασταυρωμένα, κρυσταλλώσιμα (π.χ. ΡΑ6, i-pp, PE) ή άμορφα, οργανικά πολυμερή αλλά και ανόργανες ύαλοι. Η τεχνική αυτή είναι ακατάλληλη για προ-διασταυρωμένα πολυμερή, δύστηκτα ή άκαμπτα πολυμερή, και μέταλλα (λόγω του χαμηλού ιξώδους τήγματος). Παρασκευή ινών από πήγμα (Gel spinning) ταν στόχος είναι η παραγωγή ινών με πλήρως εκτεταμένες αλυσίδες, η ινοποίηση από τήγμα ακόμη και όταν είναι εφικτή δεν αποτελεί πάντα την άριστη επιλογή για την αποφυγή μεγάλης πυκνότητας δομικών σφαλμάτων που αντιστοιχούν σε άκρα αλυσίδων, είναι εκ παραλλήλου επιθυμητή η χρήση αλυσίδων πολύ υψηλού μοριακού βάρους. Η τεχνική βασίζεται στην παρασκευή χαμηλής συγκέντρωσης διαλύματος το οποίο μετά από ψύξη μετατρέπεται σε πήγμα. Κατόπιν ο διαλύτης εκχυλίζεται και προκύπτει πορώδης ίνα που εκτείνεται εν θερμώ. μως εδικά στην τελευταία περίπτωση η απεμπλοκή των αλυσίδων είναι ιδιαίτερα δύσκολη. Σο πρόβλημα αυτό λύνεται κατά την ινοποίηση από διάλυμα και ακόμα καλύτερα κατά την ινοποίηση από πήγμα. Η τεχνική βασίζεται στην παρασκευή χαμηλής συγκέντρωσης διαλύματος το οποίο μετά από ψύξη μετατρέπεται σε πήγμα. Κατόπιν ο διαλύτης εκχειλίζεται και προκύπτει πορώδης ίνα που εκτείνεται εν θερμώ. Η τεχνική πήγματος είναι από τις πλέον αποτελεσματικές για την παραγωγή ινών υψηλού μέτρου ελαστικότητας και έχει εφαρμοστεί σε πολλά πολυμερή με πλέον γνωστή την περίπτωση του PE. 10

12 Ινοποίηση από διάλυμα (solution spinning) Η ινοποίηση από διάλυμα είναι πιο πολύπλοκη από αυτή του τήγματος επειδή η στερεοποίηση της ίνας περιλαμβάνει περίπλοκα και εναλλακτικά στάδια. Καταρχήν η διασπορά ή η διάλυση της ίνας σε διάλυμα, ύστερα η ανάμιξη και μετά το πήξιμο και η έκταση σε σταθερή ίνα. Επίσης η διαδικασία περιλαμβάνει προδιαδικασία της ίνας μέσω ξέπλυσης με κάποιο άλλο υγρό η νερό και στέγνωμα ή διαδικασίες ανόπτησης. Παράδειγμα τέτοιας διαδικασίας είναι το Dupont Kevlar(Wilmington) από p-phenylene terefthalamide (PTA). Έκταση στερεάς κατάστασης (Solid State Deformation) Η έκταση στερεάς κατάστασης κρυσταλλικών ή κρυσταλλώσιμων πολυμερών είναι δυνατή κάτω από το σημείο τήξης αλλά πάνω από τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (Tg). Κάτω από την Tg, η έλλειψη μοριακής κινητικότητας οδηγεί σε χαμηλή παραμόρφωση θραύσης και έτσι είναι αδύνατες οι μεγάλες παραμορφώσεις. Κατά την έκταση πάνω από την Tg το πολυμερές φορτίζεται αποτελεσματικά και έτσι η αρχική έκταση επιτυγχάνεται χάρη στους ασθενείς διαμοριακούς δεσμούς μεταξύ γειτονικών μορίων και στην επαρκή μακρομοριακή κινητικότητα. Ο προσανατολισμός σε αυτές τις θερμοκρασίες δεν συνοδεύεται από χαλάρωση, όπως συμβαίνει στην έκταση τήγματος, γιατί η εφαρμοζόμενη θερμοκρασία είναι σχετικά χαμηλή. Κάποιες μοριακές κινήσεις είναι απαραίτητες για να ευνοηθεί ο προσανατολισμός. Αυτό οδηγεί σε ένα θερμοκρασιακό παράθυρο που παρέχει βέλτιστη ικανότητα έκτασης στο πολυμερές. Πάνω από αυτό το θερμοκρασιακό παράθυρο συμβαίνει χαλάρωση όπως και στο τήγμα και κάτω από αυτό οι μακρομοριακές κινήσεις δεν επαρκούν και έτσι οδηγούμαστε σε θραύση της ίνας. Ο βαθμός κρυσταλλικότητας επηρεάζει την ικανότητα του πολυμερούς να εκτείνεται σε στερεά φάση αφού οι κρυσταλλικές περιοχές δρουν ανασταλτικά στις μακρομοριακές κινήσεις. Κατά τη διάρκεια της παρούσας εργαστηριακής άσκησης θα γίνει χρήση της μεθόδου ινοποίησης από τήγμα για την παρασκευή πολυμερικών ινών από πολυπροπυλένιο και πολυαιθυλένιο. την συνέχεια περιγράφονται τα στάδια παραγωγής των πολυμερικών ινών καθώς και η διαδικασία που θα ακολουθηθεί κατά την διάρκεια του εργαστηρίου ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΔΙΑΣΑΞΗ τάδια ινοποίηση από τήγμα (melt spinning) πως περιγράφηκε η αρχή λειτουργίας της ινοποίησης από τήγμα περιλαμβάνει την εν θερμό εκβολή τήγματος του πολυμερούς. Η ρευστή εκβαλλόμενη ίνα εκτείνεται και ψύχεται, είτε αποκλειστικά στον αέρα είτε αρχικά στον αέρα και στην συνέχεια σε λουτρό. Μία σχηματική αναπαράσταση της διαδικασίας εκβολής φαίνεται στο Εικόνα 1.1. πως μπορεί να παρατηρήσει κανείς τα βασικά στοιχεία μιας διάταξης ινοποίησης από τήγμα είναι τα ακόλουθα: 1. Η τροφοδοσία του πολυμερούς 2. Σο σύστημα τήξης του πολυμερούς 3. Σο σύστημα προώθησης 4. Η μήτρα εκβολής (spinneret) 5. Σο σύστημα ψύξης 11

13 6. Σο σύστημα περιέλιξης 1. Σροφοδοσία 2. Σήξη 3. Προώθηση 4. Μήτρα Εκβολής 5. Χύξη 6. Περιέλιξη Εικόνα 1.1.: χηματική παράσταση των διαφόρων σταδίων της διεργασίας εκβολής ινών από τήγμα. Η τροφοδοσία του πολυμερούς θα γίνει με την μορφή στερεού (πελέτες). Hopper (χοάνη τροφοδοσίας) ονομάζεται το μέρος όπου γίνεται η τροφοδοσία του πολυμερούς. Η τήξη μπορεί να γίνει μέσα σε σωλήνα στην ανάλογη θερμοκρασία στην οποία λιώνει το εκάστοτε πολυμερές. Για να λιώσουν οι κόκκοι του πολυμερούς η θερμότητα παράγεται εσωτερικά με εξωτερικά θερμαντικά στοιχεία γύρω από τον σωλήνα τήξης. Η διαδικασία τήξης του πολυμερούς είναι απαραίτητο να πραγματοποιείται υπό ελεγχόμενες συνθήκες, αφού αν αυτή ξεπεραστεί κατά πολύ, υπάρχει πιθανότητα το πολυμερές να αποσυντεθεί, να υποβαθμιστεί ή να γίνει πολύ υγρό. Πάλι αν η θερμοκρασία είναι ελαφρώς ή κατά σημεία χαμηλότερη από την θερμοκρασία τήξης, το πολυμερές μπορεί να πλαστικοποιείται. Σέλος η ποικιλία στις θερμοκρασίες κατά την τήξη μπορεί να προκαλέσει αλλαγές στο ρυθμό ροής του πολυμερούς αλλά ακόμα και μπλοκαρίσματα στην διαδικασία εκβολής/εξώθησης. Δεν συμβαίνει το ίδιο και στην περίπτωση που χρησιμοποιείται πιστόνι, μίας και η περιοχή του πιστονιού είναι πολύ περιορισμένη σε έκταση σε σχέση με τον σωλήνα εξώθησης. Η προώθηση του πολυμερούς γίνεται με πιστόνι. Από εκεί το λιωμένο πολυμερές ρέει και προωθείται στο επόμενο στάδιο. Μία τυπική διάταξη με πιστόνι φαίνεται στο Εικόνα 2. Ο τρόπος λειτουργίας της διάταξης διαφέρει στο ότι η κίνηση του πολυμερούς πραγματοποιείται με την μηχανική ή υδραυλική κίνηση του πιστονιού. Εικόνα 1.2: Ινοποίηση τήγματος με πιστόνι υσκευή ινοποίησης τήγματος Η διάταξη που θα χρησιμοποιηθεί αποτελείται όπως αναφέρθηκε από το ακόλουθα συστήματα: 1. Σροφοδοσίας του πολυμερούς και συστήματος υποδοχής 12

14 2. Σήξης του πολυμερούς 3. Προώθησης του πολυμερούς 4. Μήτρα εκβολής (spinneret) του τηγμένου πολυμερούς 5. Χύξης του τηγμένου πολυμερούς 6. Έκταση του πολυμερούς σε στερεά κατάσταση Πιο αναλυτικά, το σύστημα τροφοδοσίας του πολυμερούς φαίνεται στο Εικόνα 1.3: Εικόνα 1.3: Προτεινόμενο σύστημα τροφοδοσίας πολυμερούς σε στερεά κατάσταση πως φαίνεται στο Εικόνα 1.3 η τροφοδοσία γίνεται χειροκίνητα μέσω του δοχείου τροφοδοσίας. ταν η επιθυμητή ποσότητα πολυμερούς έχει τροφοδοτηθεί μέσα στο δοχείο τροφοδοσίας, ανοίγει η βαλβίδα τροφοδοσίας, επίσης χειροκίνητα. Μέσω ενός σωλήνα με κατάλληλη κλίση γίνεται προώθηση του πολυμερούς με τη βοήθεια της βαρύτητας προς το σύστημα υποδοχής του πολυμερούς, μέσα στο οποίο επιτυγχάνεται η τήξη και προώθηση του πολυμερούς. Η τήξη του πολυμερούς πραγματοποιείται με την βοήθεια ενός συστήματος θέρμανσης το οποίο αποτελείται από έναν μανδύα αντιστάσεων όπως φαίνεται στο Εικόνα 4. Σο σύστημα αυτό εφαρμόζεται πάνω στο πιστόνι και συνδέεται με την παροχή ρεύματος. Έτσι επέρχεται τήξη των κόκκων του πολυμερούς με εξωτερικά θερμαντικά στοιχεία γύρω από το σωλήνα τήξης. Εικόνα 1.4: Προτεινόμενο σύστημα τήξης του πολυμερούς που αποτελείται από μανδύα αντιστάσεων Για καλύτερο έλεγχο της θερμοκρασίας, μεταξύ του μανδύα και της παροχής ρεύματος παρεμβάλλεται controller θερμοκρασίας ο οποίος έχει την δυνατότητα ανάδρασης. την ουσία χρησιμοποιείται ένα θερμοζεύγος το οποίο διαβάζει την στιγμιαία θερμοκρασία. Αυτή η ένδειξη προωθείτε προς τον controller ο 13

15 οποίος ρυθμίζει την παροχή ρεύματος ώστε να πλησιάσει η θερμοκρασία του θερμοζεύγους την επιθυμητή θερμοκρασία. Μία τέτοιου τύπου διάταξη μπορεί να βρεθεί εύκολα στο εμπόριο και φαίνεται στο Εικόνα 1.5. Με αυτό τον τρόπο, γίνεται η δυνατή η χρήση σταθερής θερμοκρασίας ινοποίησης. πως προαναφέρθηκε και στο κεφάλαιο 3, αυτό είναι πολύ σημαντικό, αφού η ποικιλία στις θερμοκρασίες κατά την τήξη μπορεί να προκαλέσει αλλαγές στο ρυθμό ροής του πολυμερούς αλλά ακόμα και μπλοκαρίσματα στην διαδικασία εκβολής/εξώθησης. Γι αυτόν το λόγο ρυθμίζονται οι αντιστάσεις να φτάνουν σε μια ορισμένη θερμοκρασία. Επίσης χρήση υψηλότερης θερμοκρασίας από την επιθυμητή μπορεί να οδηγήσει σε υποβάθμιση του πολυμερούς, γεγονός που πρέπει να αποφευχθεί για βέλτιστα αποτελέσματα. Εικόνα 1.5: Προτεινόμενο σύστημα ελέγχου της θερμοκρασίας τήξης του πολυμερούς με PID controller θερμοκρασίας και θερμοζεύγος Για την προώθηση του τηγμένου πολυμερούς γίνεται χρήση πιστονιού το οποίο κινείται πνευματικά (με την χρήση πεπιεσμένου αέρα). Μία τέτοια διάταξη φαίνεται στο Εικόνα 1.6. Σο πιστόνι συνδέεται με παροχή πεπιεσμένου αέρα και η ταχύτητα προώθησης ρυθμίζεται από την εφαρμοζόμενη πίεση, την οποία μπορεί κανείς να διαβάσει με την βοήθεια ενός μανόμετρου. Ο καθορισμός της πίεσης γίνεται από το σύστημα τροφοδοσίας του πεπιεσμένου αέρα. ε αυτό το σημείο είναι απαραίτητη η βαθμονόμηση του πιστονιού, ώστε να υπάρχει ένα νομόγραμμα μεταξύ της πίεσης και της ταχύτητας προώθησης. Σο σύστημα έχει βαλβίδα η οποία καθορίζει την φορά κίνησης του εμβόλου του πιστονιού. Εικόνα 1.6: Πιστόνι, μανόμετρο, ρύθμιση πίεσης αέρα, θέσης πιστονιού και έμβολο για την εξώθηση του τήγματος πολυμερούς. 14

16 το σημείο αυτό θα πρέπει να τονιστεί ότι το πιστόνι κινείται παλινδρομικά μέσα στο σύστημα όπου τοποθετούνται οι κόκκοι του πολυμερούς (Εικόνα 1.7). Επίσης πρέπει να τονιστεί ότι και ο μανδύας αντιστάσεων αγκαλιάζει το εν λόγω σύστημα, το οποίο προτείνεται να είναι ένας κύλινδρος, οποίος να έχει κατάλληλη διάμετρο ώστε να δέχεται την κατάλληλη ποσότητα πολυμερούς, και να μπορούν να προσαρμόζονται το πιστόνι εσωτερικά και ο μανδύας αντιστάσεων εξωτερικά. Εικόνα 1.7: Κύλινδρος πάνω στο οποίο τοποθετείται ο μανδύας αντιστάσεων, και μέσα στον οποίο τοποθετείται το πολυμερές και κινείται το έμβολο του πιστονιού. το άκρο του κυλίνδρου αυτού τοποθετείται το ακροφύσιο (μήτρα εκβολής). Σο τηγμένο πολυμερές με την κατάλληλη ταχύτητα πιέζεται από το έμβολο, και εκβάλλεται μέσω της μήτρας εκβολής, με αποτέλεσμα να σχηματοποιείται η ίνα της οποία η γεωμετρία καθορίζεται από την μήτρα εκβολής. το Εικόνα 1.8 φαίνονται τρείς μήτρες εκβολής με διαφορετικές διαμέτρους οπών καθώς και η προσαρμογή τους στο άκρο του κυλίνδρου. Οι οπές αυτές είναι ακριβείας για να πάρουμε ομαλή και καλοσχηματισμένη επιφάνεια. Εικόνα 1.8: Μήτρες εκβολής με οπές διαφορετικής διαμέτρου και θέση τους σε σχέση με τον κύλινδρο πάνω στον οποίο τοποθετείται ο μανδύας αντιστάσεων, και μέσα στον οποίο τοποθετείται το πολυμερές και κινείται το έμβολο του πιστονιού. υνοψίζοντας την διαδικασία μέχρι εδώ, το πολυμερές εισάγεται στον σωλήνα τροφοδοσίας, από εκεί πέφτει λόγω βαρύτητας στο σωλήνα προώθησης, εκεί θερμαίνεται από εξωτερικές αντιστάσεις και αφού πιεστεί από το πιστόνι ρέει μέσω της μήτρας εκβολής. σον αφορά την ψύξη αρχικά προτείνεται να γίνει με έκθεση της ίνας στη θερμοκρασία δωματίου. Μετά την εξώθηση του τήγματος του πολυμερούς σειρά έχει η διαδικασία της περιέλιξης της ίνας. Η περιέλιξη της ίνας μπορεί να γίνει σε ένα κινούμενο τύμπανο. Η 15

17 συγκεκριμένη διπλωματική δεν θα προτείνει τον σχεδιασμό αυτού του τυμπάνου και θα ασχοληθεί απευθείας με την περιγραφή της διάταξης έκτασης στερεάς κατάστασης υσκευή έκτασης στερεάς κατάστασης O βαθμός έκτασης εξαρτάται από το χρησιμοποιούμενο πολυμερές και την θερμοκρασία έκτασης. Η έκταση επηρεάζει την αντοχή, την επιμήκυνση και την ομοιομορφία. Η αποδοτικότητα της έκτασης εξαρτάται από την ταχύτητα που εφαρμόζεται και τη θερμοκρασία, καθώς επίσης από το μέγεθος του οποιουδήποτε προσανατολισμού από την διαδικασία ινοποίησης. χεδόν όλες οι ίνες υπόκεινται έκταση γιατί αυτό βελτιώνει τις φυσικές ιδιότητες. τις περισσότερες διαδικασίες ινοποίησης ο βαθμός έκτασης είναι της τάξης του 3-10, που σημαίνει το μήκος της ίνας μετά την έκταση θα είναι 10 φορές αυτό που είχε αρχικά. Αυτό σημαίνει ότι η διάταξη θα πρέπει να έχει κυλίνδρους όπου η ίνα από την μία πλευρά θα περιελίσσεται καθώς εκτείνεται. Η πιο απλή όμως διάταξη στην ουσία μπορεί να είναι ένα σύστημα εφελκυσμού, το οποίο να μπορεί να προσαρμοστεί σε έναν φούρνο ή πάνω από μία εστία θερμότητας, ώστε να ρυθμίζεται η θερμοκρασία έκτασης. Μια γενική εικόνα της συσκευής που προτείνουμε φαίνεται στο Εικόνα 1.9, όπου μπορούμε να διακρίνουμε την χειροκίνητη χρήση της συσκευής από δεξιά προς τα αριστερά. Επίσης διακρίνουμε δύο εξωτερικές θέσεις με πέντε βίδες η κάθε μια, γύρω από τις οποίες μπορούμε να τυλίξουμε την ίνα που θα πάρουμε για να την εκτείνουμε. Εξοπλίζουμε βέβαια τη συσκευή από κάτω με μια αντίσταση που θα θερμαίνει την ίνα για καλύτερη έκταση. Η μετατόπιση των αρπαγών, είναι και ο βαθμός έκτασης της ίνας. Εικόνα 1.9: Προτεινόμενη διάταξη για έκταση της ίνας σε στερεά κατάσταση ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΙΑ Ινοποίηση το συγκεκριμένο πείραμα θα χρησιμοποιήσουμε 3 διαφορετικά πολυμερή : Πολυπροπυλένιο (PP), Πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας (LDPE) και Πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (HDPE). Για τον προσδιορισμό του σημείου τήξης τους, κάναμε πειράματα Θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC). τα επόμενα Εικόνατα φαίνονται τα διαγράμματα DSC και οι θερμοκρασίες τήξης. 16

18 Εικόνα 1.10: Γραφήματα διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης για τα 3 πολυμερή που θα χρησιμοποιηθούν. Σα βήματα της διαδικασίας για την ινοποίηση είναι : 1. Σοποθετούμε στον κύλινδρο θέρμανσης την μήτρα με την επιθυμητή διατομή. την συνέχεια τοποθετούμε στον κύλινδρο το θερμαντικό στοιχείο και το ασφαλίζουμε επάνω στην βάση της ιδιοσυσκευής. 2. υνδέουμε το θερμαντικό στοιχείο στην παροχή ρεύματος και στην ανάδραση του θερμοζεύγους. 3. Ρυθμίζουμε τον ελεγκτή θερμοκρασίας σύμφωνα με την θερμοκρασία τήξης του πολυμερούς που θα χρησιμοποιήσουμε, προσαυξημένη κατά 20% και αφήνουμε του κύλινδρο να προθερμανθεί άδειος για περίπου 2,5 ώρες. 4. Σροφοδοτούμε τον κύλινδρο καύσης με το πολυμερές, σε μορφή chips, που επιλέξαμε να ινοποιήσουμε (περίπου 40 gr), και το αφήνουμε να λιώσει για 20 λεπτά. Ασφαλίζουμε την βάση του πιστονιού στην κάτω θέση, ώστε το έμβολο να διανύσει όλο το μήκος του κυλίνδρου και να μην αφήσει υπολείμματα τηγμένου πολυμερούς μέσα στον κύλινδρο. 5. Ρυθμίζουμε το μανόμετρο σε πίεση 1 bar και τον μικρορυθμιστή πίεσης, που βρίσκεται στην βαλβίδα καθόδου του πιστονιού, έτσι ώστε το έμβολο να κινείται με ταχύτητα 10 cm/min. 6. Θέτουμε σε κίνηση το έμβολο, από το joystick ελέγχου του, και περιμένουμε μέχρι να βγει ίνα. 7. ταν αρχίσει να βγαίνει ίνα από την μήτρα εκβολής, την πιάνουμε με μεταλλική λαβίδα και κάνουμε έκταση ίνας, είτε με το χέρι είτε με τύμπανο περιέλιξης και έκτασης. Για την έκταση με το χέρι, αφού πιάσουμε την ίνα με την μεταλλική λαβίδα την εκτείνουμε μέχρι να πάρει μορφή ινιδίου και συνεχίζουμε έως ότου τελειώσει το πολυμερές. Για την έκταση με το τύμπανο, τοποθετούμε την αρχή της ίνας στο τύμπανο περιέλιξης και το ρυθμίζουμε να περιστρέφετε με σταθερή ταχύτητα Έκταση στερεάς κατάστασης Σα βήματα της διαδικασίας για την έκταση στερεάς κατάστασης είναι: 1. Σοποθετούμε την ίνα στις αρπάγες του εφελκυσιόμετρου 2. Σοποθετούμε θερμή εστία κάτω από το εφελκυσιόμετρο και σε ελάχιστη απόσταση από την ίνα (mm). 3. Ρυθμίζουμε την θερμοκρασία της εστίας μεταξύ της θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης (Tg) και της θερμοκρασίας τήξης του πολυμερούς. 4. Μαρκάρουμε με έναν μαρκαδόρο το σημείο εκκίνησης της έκτασης. 17

19 5. Πραγματοποιούμε χειροκίνητη έκταση με περιστροφή του αντίστοιχου μοχλού με αργό ρυθμό, ή μηχανική έκταση με χρήση του κινητήρα έκτασης. 6. Μέγιστος βαθμός έκτασης για PE περίπου 4 και για PP περίπου ΤΝΑΞΗ ΚΑΙ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΑΚΗΗ Σην σύνταξη και επιμέλεια της παρούσας εργαστηριακής άσκησης ανέλαβε ο κ. Ι. Σελλόγλου, ο οποίος σχεδίασε και υλοποίησε και την ιδιοσυσκευή ινοποίησης στο πλαίσιο της διπλωματικής του εργασίας υπό την επίβλεψη της κα. Ν. Μ. Μπάρκουλα (Λέκτορας ΣΜΕΤ). 18

20 19

21 ΕΡΓΑΣΗΡΙΑΚΗ ΑΚΗΗ 2: «ΠΡΟΕΣΟΙΜΑΙΑ ΔΟΚΙΜΙΨΝ ΙΝΨΝ ΓΙΑ ΜΗΦΑΝΙΚΟ ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟ» 20

22 ΑΚΗΗ 2: ΠΡΟΕΣΟΙΜΑΙΑ ΔΟΚΙΜΙΨΝ ΙΝΨΝ ΓΙΑ ΜΗΦΑΝΙΚΟ ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟ 2.0. ΕΙΑΓΨΓΗ Σο παρόν εργαστήριο θα ασχοληθεί με την προετοιμασία ανόργανων και οργανικών ινών για τον μηχανικό χαρακτηρισμό τους. Για να είναι ολοκληρωμένος ο χαρακτηρισμός των ινών θα πρέπει να προσδιοριστούν τα ακόλουθα: 1. Διαστάσεις των ινών 2. Επιφανειακές ιδιότητες των ινών 3. Εσωτερική δομή των ινών 4. Μηχανικές ιδιότητες των ινών 5. Απόκριση σε υψηλές θερμοκρασίες 6. τατιστική ανάλυση των εφελκυστικών ιδιοτήτων των ινών (Weibull analysis) τόχος της παρούσας εργαστηριακής άσκησης είναι να έρθουν οι φοιτητές σε επαφή με τις μεθόδους προσδιορισμού των ιδιοτήτων των ινών και σε θεωρητικό αλλά και σε πρακτικό επίπεδο με έμφαση στον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων των ινών. Πιο συγκεκριμένα στόχοι της άσκησης είναι: - Απόκτηση του θεωρητικού υπόβαθρου των παραπάνω μεθόδων προσδιορισμού των ιδιοτήτων των ινών - Γνωριμία με βασικές έννοιες, δυνατότητες και λειτουργίες των μεθόδων αυτών - Εξοικείωση με τα υλικά και τις διατάξεις που χρησιμοποιούνται για την προετοιμασία των δοκιμίων για τον χαρακτηρισμό των ινών - Εφαρμογή της μεθόδου προετοιμασίας των ινών για τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων των ινών 2.1. ΘΕΨΡΙΑ Η θεωρία του παρόντος εργαστηρίου περιγράφεται αναλυτικά στο Κεφάλαιο 1 του εργαστηριακού βιβλίου. Οι φοιτητές καλούνται να μελετήσουν το αντίστοιχο κεφάλαιο για καλύτερη κατανόηση ΠΡΟΕΣΟΙΜΑΙΑ ΔΟΚΙΜΙΨΝ Οι ίνες που χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση συνθέτων υλικών έχουν αρκετά μικρή διάμετρο (5±30 μm) και συνήθως είναι πολύ ψαθυρές. Σο γεγονός αυτό δημιουργεί δυσκολίες στην στερέωση των ινών μέσα σε οποιοδήποτε τύπου αρπάγες, αφού υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να καταστραφούν κατά την διαδικασία τοποθέτησης. Επίσης είναι αρκετά δύσκολο έως ακατόρθωτο να στερεωθεί η ίνα σε ευθεία θέση στις αρπάγες και κατ επέκταση στην μηχανή δοκιμών. Μια κοινή πρακτική μέθοδος που διευκολύνει την τοποθέτηση των ινών στη μηχανή δοκιμών και στη συνέχεια το μηχανικό χαρακτηρισμό, είναι η ίνα να υποστηρίζεται από ένα δύσκαμπτο χαρτόνι ή tabs χαρτονιού όπως φαίνεται στo Εικόνα

23 θέση σύσφιξης αρπάγης θέση σύσφιξης αρπάγης ίνα σημεία κοπής κόλλα στιγμής Εικόνα 2.1: Προετοιμασία δοκιμίων από ίνες για πείραμα εφελκυσμού. Σο δύσκαμπτο χαρτόνι έχει προσχηματισμένο άνοιγμα το οποίο ανταποκρίνεται στο ενεργό μήκος του δοκιμίου. ε πολλές περιπτώσεις ινών που χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση συνθέτων, το ενεργό μήκος είναι περίπου 25 mm (εδώ είναι 30 mm). Βήματα προετοιμασίας δοκιμίων 1. Ξεχωρίζουμε τη δέσμη ινών που θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε από το τύμπανο και την τοποθετούμε σε χαρτί μαύρου φόντου, 2. Επιλέγουμε με κολλητική ταινία μια ίνα από τη δέσμη, 3. Κόβουμε την ίνα στο κατάλληλο μήκος του δοκιμίου (εδώ ~ 150 mm) 4. Με τη βοήθεια της κολλητικής ταινίας ευθυγραμμίζουμε και τοποθετούμε την ίνα επάνω στο ειδικό χαρτόνι, ακριβώς στο κέντρο του δοκιμίου 5. Σοποθετούμε μία σταγόνα κόλλας στιγμής στα δύο άκρα της ίνας, όπως φαίνεται στο παραπάνω Εικόνα, ώστε να ακινητοποιηθεί η ίνα 6. Σοποθετούμε το δοκίμιο στη μηχανή δοκιμών και λαμβάνει χώρα η μηχανική δοκιμή. το συγκεκριμένο πείραμα, θα χρησιμοποιηθούν πέντε είδη ινών όπως γυαλιού, άνθρακα, διάφοροι τύποι ινών Kevlar κ.α. και θα τοποθετηθούν στο ειδικό προσχηματισμένο χαρτόνι πέντε θέσεων, όπως φαίνεται στο Εικόνα 2.1. Σέλος, το χαρτόνι της παραπάνω εικόνας, κόβεται σε επιμέρους τμήματα, ώστε να προκύψουν πέντε δοκίμια ινών, τα οποία θα εξετασθούν στη μηχανή δοκιμών. 22

24 Ενεργό μήκος ίνας Κόλλα στιγμή ς Ίνες Εικόνα 2.2: Ειδικό χαρτόνι τοποθέτησης ινών. Παράδειγμα κατασκευής δοκιμίων ΜΗΦΑΝΙΚΟ ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟ ΙΝΨΝ Η μηχανή που θα χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της αντοχής των ινών φαίνεται στο Εικόνα 2.3. Η διαδικασία έχει ως εξής: 1. Ρυθμίζουμε την απόσταση των αρπαγών, πριν τοποθετήσουμε το δοκίμιο, έτσι ώστε η απόσταση τους να είναι ίση με το ενεργό μήκος της ίνας. 2. Σοποθετούμε το δοκίμιο στις αρπάγες και αφού το σταθεροποιήσουμε σφίξουμε με τις ειδικές βίδες, κόβουμε το χαρτόνι στα σημεία όπως φαίνονται στο Εικόνα Μηδενίζουμε το ελάχιστο φορτίο που μπορεί να έχει προκληθεί λόγω του σφιξίματος καθώς και την απόσταση των αρπαγών έτσι ώστε κατά τη διάρκεια εκτέλεσης του πειράματος να βλέπουμε την πραγματική έκταση της ίνας. 4. Ρυθμίζουμε τις διάφορες παραμέτρους που θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε όπως απόσταση αρπαγών (αρχικό μήκος ίνας), ρυθμός απομάκρυνσης αρπαγών, μεγέθη που θα αντιστοιχούν στους άξονες του γραφήματος που θα βλέπουμε, πότε θα σταματήσει το πείραμα και αποθηκεύουμε τη μέθοδο. 5. Ενεργοποιούμε επίσης κάποια όρια (στο συγκεκριμένο πείραμα δεν χρειάζεται) όσον αφορά το μετρούμενο φορτίο ώστε να μη προκαλέσουμε βλάβη στη μηχανή. (Μέγιστο μετρούμενο φορτίο 5kN) 6. Πραγματοποιούμε τη μέτρηση και από τα δεδομένα που αποθηκεύονται μπορούμε, κάνοντας τα κατάλληλα γραφήματα, να εξάγουμε διάφορα μεγέθη που θα χαρακτηρίζουν την ίνα. 23

25 Εικόνα 2.3: Μηχανή μέτρησης αντοχής ινών (Minitester) 2.4. ΤΝΑΞΗ ΚΑΙ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΑΚΗΗ Σην σύνταξη και επιμέλεια της παρούσας εργαστηριακής άσκησης ανέλαβαν οι κ. Γ. Γκίκας και. Γραμματικός υπό την καθοδήγηση του κ. Α. Παϊπέτη (Αν. Καθηγητής ΣΜΕΤ). 24

26 25

27 ΕΡΓΑΣΗΡΙΑΚΗ ΑΚΗΗ 3: «ΜΗΦΑΝΙΚΟ ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟ ΣΗ ΔΙΕΠΙΥΑΝΕΙΑ ΙΝΑ- ΜΗΣΡΑ ΦΡΗΗ ΑΚΟΤΣΙΚΗ ΕΚΠΟΜΠΗ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΚΟΠΙΑ» 26

28 ΑΚΗΗ 3: ΜΗΦΑΝΙΚΟ ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟ ΣΗ ΔΙΕΠΙΥΑΝΕΙΑ ΙΝΑ-ΜΗΣΡΑ ΦΡΗΗ ΑΚΟΤΣΙΚΗ ΕΚΠΟΜΠΗ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΚΟΠΙΑ 3.0. ΕΙΑΓΨΓΗ Σο παρόν εργαστήριο θα ασχοληθεί με τον μηχανικό χαρακτηρισμό μονόινου δοκιμίου σύνθετων υλικών. τόχος της παρούσας εργαστηριακής άσκησης είναι να έρθουν οι φοιτητές σε επαφή με τις μεθόδους προσδιορισμού των ιδιοτήτων της διεπιφάνειας ίνας/μήτρας και σε θεωρητικό αλλά και σε πρακτικό επίπεδο με έμφαση στον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων της διεπιφάνειας και κυρίως του βαθμού πρόσφυσης αλλά και η αναγνώριση των μηχανισμών αστοχίας. Πιο συγκεκριμένα στόχοι της άσκησης είναι: - Απόκτηση του θεωρητικού υπόβαθρου των παραπάνω μεθόδων προσδιορισμού του βαθμού πρόσφυσης ίνας/μήτρας - Γνωριμία με βασικές έννοιες, δυνατότητες και λειτουργίες των μεθόδων αυτών - Εξοικείωση με τα υλικά και τις διατάξεις που χρησιμοποιούνται για την προετοιμασία των δοκιμίων για τον χαρακτηρισμό της διεπιφάνειας ινών/μήτρας - Εφαρμογή της μεθόδου προετοιμασίας των δοκιμίων για τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων της διεπιφάνειας ίνας/μήτρας το πλαίσιο αυτής της άσκησης, θα πραγματοποιηθεί δοκιμή πολλαπλής θραύσης. Οι μετρητικές διατάξεις περιλαμβάνουν χρήση Ακουστικής Εκπομπής και Μικροσκοπίας Πολωμένου Υωτός ΘΕΨΡΙΑ Η θεωρία σχετικά με τις τεχνικές προσδιορισμού της πρόσφυσης ίνας/μήτρας περιγράφεται αναλυτικά στο Κεφάλαιο 2 του εργαστηριακού βιβλίου. Οι φοιτητές καλούνται να μελετήσουν το αντίστοιχο κεφάλαιο για καλύτερη κατανόηση. υγκεκριμένα για την δοκιμή πολλαπλής θραύσης μονόινου δοκιμίου γίνεται μία επιγραμματική αναφορά στην συνέχεια (βλ. παράγραφο 2.3 Εργαστηριακού Βιβλίου για λεπτομέρειες). Η αντοχή του διεπιφανειακού δεσμού ίνας-μήτρας μπορεί να προσδιοριστεί πειραματικά, είτε έμμεσα, είτε άμεσα. Ο έμμεσος προσδιορισμός επιτυγχάνεται με πειράματα επί δοκιμίων συνθέτων υλικών, που έχουν κύριο στόχο τη μέτρηση μιας μακροσκοπικής ιδιότητας, όπως, η διαστρωματική αντοχή ενός πολύστρωτου, η αντοχή σε εγκάρσιο εφελκυσμό, η αντοχή σε κάμψη. Καθώς δεν υπάρχει αναλυτική σχέση που να συνδέει αυτές τις μακροσκοπικές ιδιότητες με την αντοχή του διεπιφανειακού δεσμού, η τελευταία μπορεί να εκτιμηθεί από αυτά τα τέστ μόνον ποιοτικά και συγκριτικά. Αντίθετα, η άμεση μέτρηση της αντοχής του διεπιφανειακού δεσμού εκτελείται με πειράματα επί προτύπων μονόινων δοκιμίων, που είναι μεν ιδανικά και μη ρεαλιστικά σύνθετα υλικά, παρασκευάζονται όμως και δοκιμάζονται εύκολα και οικονομικά. Ευρέως διαδεδομένες δοκιμές αυτής της κατηγορίας είναι η εξόλκευση (pull-out test), το πείραμα της σταγόνας (droplet test), το πείραμα της εγκάρσιας, θλιπτικής σημειακής πίεσης στην διατομή της ίνας (micro-indentation test), το τεστ της θλιπτικής διατμητικής αστοχίας (shear debond test), το πείραμα του αμφίκυρτου δοκιμίου (transverse tensile test ή curved-neck specimen test) και τέλος, το πλέον δημοφιλές, το πείραμα της πολλαπλής θραύσης (fragmentation test). Από τα παραπάνω, μόνον το πείραμα του αμφίκυρτου δοκιμίου προσδιορίζει την εγκάρσια εφελκυστική αντοχή της 27

29 διεπιφάνειας, ενώ τα υπόλοιπα, υπολογίζουν την αντοχή της διεπιφάνειας σε διάτμηση, από την τιμή της μέγιστης διατμητικής τάσης που μπορεί να αναπτυχθεί πριν την αστοχία. Η δοκιμή πολλαπλής θραύσης μονόινου δοκιμίου (fragmentation test - Εικόνα 3.1) εκτελείται σε δοκίμιο εφελκυσμού από υλικό μήτρας με μεγάλη παραμόρφωση αστοχίας, εντός του οποίου έχει εμβαπτιστεί συνεχής ίνα ψαθυρού τύπου. Καθώς το δοκίμιο υποβάλλεται σε εφελκυσμό, τόσο η μήτρα όσο και η ίνα φέρουν την αυτή παραμόρφωση. Η πρώτη θραύση της ίνας παρουσιάζεται σε μια κρίσιμη τιμή παραμόρφωσης και στο πλέον αδύνατο σημείο της ίνας, δηλ. στο σημείο των μεγαλύτερων δομικών ατελειών. Μετά την πρώτη θραύση, η φόρτιση των θραυσμάτων της ίνας επιτυγχάνεται μέσω της διεπιφάνειας και των διατμητικών τάσεων που αναπτύσσονται εκατέρωθεν των ασυνεχειών. Με την αύξηση του εξωτερικά εφαρμοζόμενου φορτίου νέες θραύσεις εμφανίζονται στην ίνα, έως το σημείο που η διαδικασία της πολλαπλής θραύσης φθάνει σε κορεσμό. Εικόνα 3.1: Δοκιμή πολλαπλής θραύσης μονόινου δοκιμίου (fragmentation test). Κατά την κλασική ανάλυση του πειράματος, το σημείο κορεσμού αντιστοιχεί στην εμφάνιση πλαστικής αστοχίας στην διεπιφάνεια, καθώς το υλικό της μήτρας έχει ξεπεράσει το όριο ροής. ε αυτήν την κατάσταση, οι διατμητικές τάσεις θεωρούνται σταθερές και η ισορροπία δυνάμεων επί ενός θραύσματος δίνει τm = r σf(lc) / lc (3.1) όπου τm είναι το όριο ροής της διεπιφάνειας ή του υλικού μήτρας, lc είναι το κρίσιμο μήκος των ινών (ο μέσος όρος των μηκών μετά τον κορεσμό), r η ακτίνα της ίνας και σf(lc) είναι η εφελκυστική αντοχή της ίνας σε μήκος ίσο με το lc, που προσδιορίζεται με ανεξάρτητο πείραμα ΠΡΟΕΣΟΙΜΑΙΑ ΔΟΚΙΜΙΨΝ Για την προετοιμασία των δοκιμίων, μία ίνα τοποθετείται στις κατάλληλα διαμορφωμένες εξοχές της ελαστικής μήτρας και πακτώνεται με χρήση συγκολλητικού ταχείας πήξεως (Εικόνα 3.2). 28

30 tape (a) resin glue (b) glue tape (c) Εικόνα 3.2: Προετοιμασία των δοκιμίων για τη δοκιμή πολλαπλής θραύσης. Παράλληλα, η εποξεική ρητίνη τοποθετείται σε κανό για την αφαίρεση εγκλωβισμένου αέρα, αναμιγνύεται με τον σκληρυντή σύμφωνα με τις οδηγίες του κατασκευαστή και χύνεται στην μήτρα. υνιστάται η θερμοκρασία του ρευστού να είναι άνω της θερμοκρασίας περιβάλλοντος για χαμηλό ιξώδες αλλά εντός ορίων για να αποφευχθεί εξώθερμος πολυμερισμός. Σα πολυμερισμένα δοκίμια λειαίνονται και στιλβώνονται ώστε να έχουν ομοιόμορφη τετραγωνική διατομή και να είναι ορατή η ίνα στο οπτικό μικροσκόπιο ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΚΣΕΛΕΗ ΔΟΚΙΜΗ Μικρο- εφελκυόμετρο Σα δοκίμια τοποθετούνται στο μικρο- εφελκυόμετρο με χρήση των κατάλληλων αρπαγών (Εικόνα 3.3). Η ταχύτητα εκτέλεσης της δοκιμής είναι πολύ χαμηλή για να ελαχιστοποιούνται τα δυναμικά φαινόμενα. Εικόνα 3.3: Μικρο-εφελκυόμετρο (Minitester) για μέτρηση διεπιφανειακής αντοχής. Ακουστική Εκπομπή το δοκίμιο τοποθετούνται σε γνωστή απόσταση και εντός του ενεργού μήκους αισθητήρες Ακουστικής Εκπομπής. Η ακουστική σύζευξη επιτυγχάνεται με χρήση κατάλληλου ρευστού (Εικόνα 3.4). Μετά την τοποθέτηση των αισθητήρων, ελέγχεται η λήψη του σήματος με θραύση μύτης μολυβιού πάνω στο δοκίμιο. Κατά την εκτέλεση της δοκιμής, καταγράφονται το «γεγονός» (events) και η θέση που αντιστοιχεί σε κάθε θραύση της ίνας. Ο συνολικός αριθμός των γεγονότων διαιρούμενος με την απόσταση των αισθητήρων δίνει το μέσο μήκος του θραύσματος. 29

31 Εικόνα 3.4: Διάταξη αισθητήρων Ακουστικής Εκπομπής. Οπτική Μικροσκοπία Πολωμένου Υωτός Σα δοκίμια τοποθετούνται υπό τάση στο μικροσκόπιο πολωμένου φωτός. Παρατηρείται η επίδραση του τασικού πεδίου στο πολωμένο φώς καθώς και η αλλαγή με την περιστροφή της πόλωσης (Εικόνα 3.5). Διασταυρώνεται ο αριθμός των θραυσμάτων με αυτόν που προέκυψε από την ακουστική εκπομπή. 0.5 mm Εικόνα 3.5: Παρατήρηση θραυσμάτων με μικροσκόπιο πολωμένου φωτός. (a) 3.4. ΑΝΑΛΤΗ ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΨΝ ΑΠΟΣΕΛΕΜΑΣΨΝ Τπολογίζεται η αντοχή σε διάτμηση της διεπιφάνειας (ι) για ντετερμινιστική αντοχή των ινών και (ιι) για αντοχή των ινών εξαρτώμενη από το μήκος του θραύσματος. Επισημαίνεται ότι το κρίσιμο μήκος lc δίνεται ως lc=4/3lf, όπου lf το μήκος του θραύσματος ΤΝΑΞΗ ΚΑΙ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΑΚΗΗ Σην σύνταξη και επιμέλεια της παρούσας εργαστηριακής άσκησης ανέλαβε ο κ. Α. Παϊπέτη (Αν. Καθηγητής ΣΜΕΤ). 0.5 mm (b) 30

32 31

33 ΕΡΓΑΣΗΡΙΑΚΗ ΑΚΗΗ 4: «ΜΟΡΥΟΠΟΙΗΗ ΠΟΛΤΣΡΨΣΨΝ ΠΛΑΚΨΝ ΜΕ ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΟΙΦΣΟΤ ΚΑΛΟΤΠΙΟΤ» 32

34 ΑΚΗΗ 4: ΜΟΡΥΟΠΟΙΗΗ ΠΟΛΤΣΡΨΣΨΝ ΠΛΑΚΨΝ ΜΕ ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΟΙΦΣΟΤ ΚΑΛΟΤΠΙΟΤ 4.0. ΕΙΑΓΨΓΗ Σο παρόν εργαστήριο θα ασχοληθεί με τη μορφοποίηση πολύστρωτων πλακών με τεχνικές ανοιχτού καλουπιού. Οι τεχνικές μορφοποίησης ανοικτού καλουπιού μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε 4 μεγάλες κατηγορίες: 1. Η επίστρωση με το χέρι 2. Η επίστρωση με σπρέι 3. Η μορφοποίηση με κενό 4. Έγχυση ρητίνης Και οι τέσσερις τρόποι μορφοποίησης χρησιμοποιούν ανοικτό καλούπι για την κατασκευή σύνθετων υλικών με τη μορφή πολύστρωτων πλακών. Οι μέθοδοι 1 και 2 πραγματοποιούνται με παρόμοιο τρόπο γι αυτό στο παρόν εργαστήριο θα ασχοληθούμε με τις μεθόδους 1 και 3. τόχοι των ασκήσεων που θα εκτελεστούν στο εργαστήριο είναι: - Απόκτηση του θεωρητικού υπόβαθρου των προεπιλεγμένων μεθόδων - Γνωριμία με βασικές έννοιες, δυνατότητες και λειτουργίες των μεθόδων αυτών - Εξοικείωση με τα υλικά και τις διατάξεις που χρησιμοποιούνται για την μορφοποίηση πολύστρωτων με ανοικτό καλούπι - Εφαρμογή των μεθόδων μορφοποίησης ανοικτού καλουπιού για την κατασκευή των πλακών στο εργαστήριο Η θεωρία σχετικά με τις τεχνικές μορφοποίησης πολύστρωτων πλακών περιγράφεται αναλυτικά στο Κεφάλαιο 3 του εργαστηριακού βιβλίου. Οι φοιτητές καλούνται να μελετήσουν το αντίστοιχο κεφάλαιο για καλύτερη κατανόηση. Πολύ σύντομη περιγραφή των τεχνικών δίδεται στην συνέχεια ΒΑΙΚΑ ΣΑΔΙΑ / ΚΤΚΛΟ ΚΑΣΕΡΓΑΙΑ Επίστρωση με το χέρι Κατά την εφαρμογή της τεχνικής επίστρωσης με το χέρι, οι ίνες τοποθετούνται πάνω ή μέσα στο καλούπι και εμποτίζονται με υγρή ρητίνη (βλέπε Εικόνα 4.1). Ίνες που χρησιμοποιούνται συχνά στην τεχνική της επίστρωσης με το χέρι είναι ίνες αραμιδίου, άνθρακα, ή γυαλιού. Σα στρώματα των ινών μπορεί να αποτελούνται από ύφασμα μακριών ινών (woven-, knitted-, stitched- or bonded-fabrics), ύφασμα κοντών ινών τυχαίας διεύθυνσης (strand mat) ή και συνδυασμό των παραπάνω. Εικόνα 4.1: Σεχνική επίστρωσης με το χέρι / Τγρή επίστρωση (Cripps, 1999) 33

35 Πολύ συχνά χρησιμοποιούνται βούρτσες οι οποίες βοηθούν στην ομοιόμορφη κατανομή της ρητίνης πάνω στις ίνες και στη συνέχεια με τη βοήθεια ρολού γίνεται προσπάθεια αφαίρεσης του παγιδευμένου υπό την μορφή φυσαλίδων αέρα από την ενίσχυση. Έτσι επιτυγχάνεται πλήρης διαβροχή των ινών. Η μετέπειτα σκλήρυνση (post curing) με την δημιουργία σταυροδεσμών (cross-linking) επιτυγχάνεται συνήθως σε θερμοκρασία περιβάλλοντος χωρίς την εφαρμογή πίεσης στο καλούπι Μορφοποίηση με κενό Αυτή η διεργασία είναι κατά βάση επέκταση της μεθόδου διαβροχής με το χέρι η οποία περιγράφτηκε παραπάνω με την διαφορά ότι εφαρμόζεται και πίεση για να υπάρξει βελτίωση της συνένωση των στρώσεων της πολύστρωτης με την αφαίρεση της επιπλέον ρητίνης και του αέρα που εμπεριέχει. Αυτό επιτυγχάνεται με κάλυψη της πολύστρωτης, η οποία έχει δημιουργηθεί με την μέθοδο της επίστρωσης με το χέρι, με τα ακόλουθα: - ένα φιλμ αποκόλλησης όπως και αντικολλητικό φιλμ (peel-ply, release film) - ένα ύφασμα που επιτρέπει στην πολύστρωτη να «αναπνέει» (breather/bleeder fabric) - ένα φιλμ κατάλληλο για μορφοποίηση με κενό («σακούλα κενού») - ταινία που βοηθάει στο να κλείσει αεροστεγώς το φιλμ μορφοποίησης όπως φαίνεται σχηματικά στο Εικόνα 4.2. Εικόνα 4.2: χηματική αναπαράσταση της διαμόρφωσης της τεχνικής μορφοποίησης με κενό (αεροστεγής μορφοποίηση) (Cripps, 1999) Ο αέρας κάτω από την σακούλα εξάγεται με την βοήθεια αντλίας κενού, οπότε εφαρμόζεται πίεση μέχρι 1 atm για καλή συνένωση της πολύστρωτης πλάκας. Η αντικολλητική επίστρωση είναι πορώδης και επιτρέπει στην ρητίνη να διαρρέει από την πολύστρωτη. Σο μέγεθος και η συχνότητα της διάτρησης στο αντικολλητικό φιλμ καθορίζει τον βαθμό διαρροής της ρητίνης. Ο ρόλος του υφάσματος που επιτρέπει την αναπνοή της πολύστρωτης είναι διττός: (i) επιτρέπει την ανάπτυξη ενιαίας πίεσης αφού δημιουργείται ένα μονοπάτι αέρα πάνω από ολόκληρη την πολύστρωτη (ii) επιτρέπει την απορρόφηση της ρητίνης από την πολύστρωτη που βρίσκεται σε περίσσεια. 34

36 Κατά κύριο λόγο χρησιμοποιούνται εποξικές ρητίνες λόγω των πιθανών προβλημάτων που μπορεί να δημιουργηθούν με την εξαγωγή στηρενίου σε περίπτωση που χρησιμοποιηθούν μη κορεσμένες πολυεστερικές ρητίνες ΕΞΟΠΛΙΜΟ ΚΑΣΕΡΓΑΙΑ ΚΑΙ SET UP ΚΑΣΑΚΕΤΗ Επίστρωση με το χέρι Ο εξοπλισμός για επίστρωση με το χέρι αποτελείται από τα παρακάτω: 1. Επιφάνεια μορφοποίησης (καλούπι). τη προκειμένη περίπτωση θα χρησιμοποιηθεί πλάκα από γυαλί (πυρίμαχο σε περίπτωση που η πλάκα μπει σε φούρνο). 2. Wax, το οποίο έχει τον ρόλο του αποκολλητικού και χρησιμοποιείται προαιρετικά. Σο Wax έχει χρόνο σταθεροποίησης 24h. 3. PVA το οποίο έχει υγρή μορφή και είναι υδατοδιαλυτό (στεγνώνει στα 45 min). 4. τρώσεις/πανί από το υλικό ενίσχυσης. 5. Ρητίνη και σκληρυντής 6. Ρολά επίστρωσης και μεταλλικά ρολά για την απομάκρυνση του αέρα από γωνίες Μορφοποίηση με κενό Σα 1-6 είναι κοινά με την επίστρωση με το χέρι, επιπλέον χρειάζονται τα ακόλουθα: 7. Υιλμ αποκόλλησης (Tear off fabric/peel-ply -στην προκειμένη το λευκό πανί με τις ροζ γραμμές). 8. Αντικολλητικό φιλμ με διάκενα (Perforated release φιλμ- στην προκειμένη το μπλε φιλμ με τις μικρές τρύπες). 9. Όφασμα που επιτρέπει στην κατασκευή να «αναπνέει» (Breather fabric ή vacuum mesh- πράσινο πανί εδώ) 10. ακούλα κενού ή αλλιώς φιλμ στεγανοποίησης (Vacuum film/bag) 11. Σαινία στεγανοποίησης (sealant tape/tacky tape) 4.3. ΤΠΟΛΟΓΙΜΟΙ Κοινοί και για τις δύο μεθόδους 1. Καθορίζουμε το μέγεθος της πλάκας που θέλουμε να κατασκευάσουμε. 2. Βάση του μεγέθους της πλάκας υπολογίζονται οι διαστάσεις των πανιών και ο αριθμός των στρώσεων που θα χρησιμοποιηθεί (συνάρτηση του πάχους του πανιού και του επιθυμητού πάχους της πολύστρωτης). 3. Γνωρίζοντας τα παραπάνω κόβονται τα πανιά στις κατάλληλες διαστάσεις και στον κατάλληλο αριθμό στρώσεων. 4. Βάση του αριθμού των στρώσεων και του πάχους τους υπολογίζεται η ποσότητα της ρητίνης που θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί για την καλή διαβροχή των πανιών. 5. Γνωρίζοντας την ποσότητα της ρητίνης που χρειάζεται, υπολογίζεται με στοιχειομετρική αναλογία η ποσότητα του σκληρυντή. 35

37 Παράδειγμα υπολογισμών Οι απαραίτητες πληροφορίες σχετικά με τους κανόνες ασφάλειας, τον τρόπο χρήσης και τις ιδιότητες της ενίσχυσης και των συστημάτων ρητίνης λαμβάνονται από τα δελτία δεδομένων (data sheets) τα οποία συνοδεύουν τα προϊόντα. Έστω λοιπόν ότι για την κατασκευή της πλάκας μας θα χρησιμοποιήσουμε: 1. Carbon Fabric 160 g/m 2 2. Epoxy system based on Araldite LY5052/Aradur 5052 Ακολούθως παρουσιάζεται μέρος των δελτίων δεδομένων με πληροφορίες απαραίτητες για τους υπολογισμούς μας και η διαδικασία υπολογισμού: o o Έστω ότι θέλουμε να κατασκευάσουμε πολύστρωτη πλάκα μεγέθους 40x40 cm 2 και πάχους 3 mm από τα παραπάνω υλικά. Από το data sheet της ενίσχυσης διαβάζουμε ότι το πάχος της στρώσης είναι mm, οπότε για να πετύχουμε πάχος 3 mm στην πολύστρωτή μας είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσουμε: 3/0.257= στρώσεις υφάσματος ενίσχυσης. o Από το data sheet της ενίσχυσης Εικόνα 4.3, διαβάζουμε ότι πρέπει να καταναλώσουμε 184 g/m 2 για να πετύχουμε ποσοστό όγκου 35% σε ίνες. Η επιφάνεια που θέλουμε να καλύψουμε αντιστοιχεί στο εμβαδό επιφάνειας της πλάκας μας x τον αριθμό των στρώσεων, άρα 40x40 cm 2 x 12 στρώσεις = 1.92 m 2. Άρα θα χρειαστούμε 1.92 m 2 x 184 g/m 2 = g συστήματος ρητίνης για να καλύψουμε την πλάκα μας. o o Βάση του data sheet της ρητίνης Εικόνα 4.4, για 100 μέρη κατά βάρος Araldite LY5052 χρειάζονται 38 μέρη κατά βάρος Aradur Σο συνολικό βάρος του συστήματος ρητίνης όπως υπολογίστηκε παραπάνω είναι g. Άρα στα 138 g συστήματος ρητίνης χρειάζονται 100 g Araldite LY5052 και 38 g Aradur Για την μίξη μας χρειάζεται: 100*353.28/138= 256 g Araldite LY5052 και 38*353.28/138= g Aradur Ο απαραίτητος χρόνος πολυμερισμού Εικόνα 4.5, καθορίζεται στο data sheet και φαίνεται ακολούθως. Εικόνα 4.3: Data sheet ενίσχυσης. 36

38 Εικόνα 4.4: Data sheet συστήματος ρητίνης. Εικόνα 4.5: Data sheet συστήματος ρητίνης (κύκλος πολυμερισμού) ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΙΑ Επίστρωση με το χέρι 1. Καθαρίζουμε με προσοχή την επιφάνεια επίστρωσης/καλούπι. Για πυρίμαχο γυαλί χρησιμοποιούμε την ξύστρα πυρίμαχων επιφανειών. 2. ημειώνουμε πάνω στην επιφάνεια επίστρωσης τον χώρο όπου θα γίνει η επίστρωση των πανιών φτιάχνοντας με τον μαρκαδόρο ένα πλαίσιο. 3. ημειώνουμε πάνω στην επιφάνεια επίστρωσης τους άξονες 0/90 για τον καθορισμό των γωνιών/κατεύθυνσης της ενίσχυσης (σε περίπτωση που η πολύστρωτη έχει και άλλες διευθύνσεις σημειώνονται και οι επιπλέον γωνίες). 4. Προαιρετικά στρώνουμε την επιφάνεια με κερί (Wax) και αφήνουμε να στεγνώσει για 24h. 5. Με το κατάλληλο σφουγγάρι στρώνουμε μία στρώση PVA μέσα στην περιοχή του πλαισίου και αφήνουμε να στεγνώσει για 45min. Πλένουμε το σφουγγάρι με νερό (αφού το PVA είναι υδατοδιαλυτό), το στραγγίζουμε καλά και το αφήνουμε να στεγνώσει. Με την βοήθεια μίας ίνας τσεκάρουμε αν η στρώση PVA έχει στεγνώσει πριν ξεκινήσουμε την διαδικασία επίστρωσης. 6. Αναμιγνύουνε την ρητίνη με τον σκληρυντή και με ανάδευση γίνεται ομογενοποίηση. Για ποσότητα ρητίνης μεγαλύτερη των 500gr χρειάζεται μηχανική ανάδευση. 7. Η ρητίνη μετά την ανάδευση εγχύεται σε δοχείο που θα χρησιμοποιηθεί για το στρώσιμο της ρητίνης. 8. Πάνω από την στρώση PVA η οποία έχει στεγνώσει και μέσα στα πλαίσια που έχουν προσχεδιαστεί γίνεται επίστρωση με το πρώτο στρώμα ρητίνης. 9. Πάνω σε αυτό το στρώμα εναποτίθεται η στρώση πανιού με την επιθυμητή κατεύθυνση ινών. 10. Με την βοήθεια του ρολού (με γουνάκι) γίνεται εμποτισμός της ρητίνης πάνω στο πανί με τις ίνες. 11. Εφαρμόζεται το επόμενο φύλλο ενίσχυσης και με την βοήθεια του ρολού από teflon γίνεται καλύτερη κατανομή της ρητίνης. 12. Σα στάδια 9 έως 11 επαναλαμβάνονται μέχρις ότου τελειώσουν οι στρώσεις ενίσχυσης. 37

39 13. την συνέχεια εφαρμόζεται η στρώση peel-ply για καλύτερη εξωτερική επιφάνεια και αποκόλληση των επόμενων στρώσεων. 14. Αφήνουμε το υλικό να πολυμεριστεί σε συνθήκες που καθορίζονται από την ρητίνη που έχει επιλεγεί. ΠΡΟΟΦΗ: ε περίπτωση που ο πολυμερισμός πραγματοποιείται σε υψηλές θερμοκρασίες, τα υλικά που επιλέγονται (wax, gel κλπ) για την μορφοποίηση πρέπει να αντέχουν σε αυτές τις θερμοκρασίες όπως και το καλούπι πρέπει να μπορεί να μπαίνει σε φούρνο Μορφοποίηση με κενό 1. Καθαρίζουμε με προσοχή την επιφάνεια επίστρωσης/καλούπι. Για πυρίμαχο γυαλί χρησιμοποιούμε την ξύστρα πυρίμαχων επιφανειών. 2. ημειώνουμε πάνω στην επιφάνεια επίστρωσης τον χώρο όπου θα γίνει η επίστρωση των πανιών φτιάχνοντας με τον μαρκαδόρο ένα πλαίσιο. 3. ημειώνουμε πάνω στην επιφάνεια επίστρωσης τους άξονες 0/90 για τον καθορισμό των γωνιών/κατεύθυνσης της ενίσχυσης (σε περίπτωση που η πολύστρωτη έχει και άλλες διευθύνσεις σημειώνονται και οι επιπλέον γωνίες). 4. Εφαρμόζεται πάνω στο καλούπι πλαίσιο απλής ή διπλής διαμόρφωσης από την ταινία στεγανοποίησης (sealant tape/tacky tape). Δημιουργείται διπλή στρώση ταινίας εκεί όπου θα εισχωρήσει το σωληνάκι της αντλίας κενού. 5. Προαιρετικά στρώνουμε την επιφάνεια με κερί (Wax) και αφήνουμε να στεγνώσει για 24h. 6. Με το κατάλληλο σφουγγάρι στρώνουμε μία στρώση PVA μέσα στην περιοχή του πλαισίου και αφήνουμε να στεγνώσει για 45min. Πλένουμε το σφουγγάρι με νερό (αφού το PVA είναι υδατοδιαλυτό), το στραγγίζουμε καλά και το αφήνουμε να στεγνώσει. Με την βοήθεια μίας ίνας τσεκάρουμε αν η στρώση PVA έχει στεγνώσει πριν ξεκινήσουμε την διαδικασία επίστρωσης. 7. Αναμιγνύουνε την ρητίνη με τον σκληρυντή και με ανάδευση γίνεται ομογενοποίηση. Για ποσότητα ρητίνης μεγαλύτερη των 500gr χρειάζεται μηχανική ανάδευση. 8. Η ρητίνη μετά την ανάδευση εγχύεται σε δοχείο που θα χρησιμοποιηθεί για το στρώσιμο της ρητίνης. 9. Πάνω από την στρώση PVA η οποία έχει στεγνώσει και μέσα στα πλαίσια που έχουν προσχεδιαστεί γίνεται επίστρωση με το πρώτο στρώμα ρητίνης. 10. Πάνω σε αυτό το στρώμα εναποτίθεται η στρώση πανιού με την επιθυμητή κατεύθυνση ινών. 11. Με την βοήθεια του ρολού (με γουνάκι) γίνεται εμποτισμός της ρητίνης πάνω στο πανί με τις ίνες. 12. Εφαρμόζεται το επόμενο φύλλο ενίσχυσης και με την βοήθεια του ρολού από teflon γίνεται καλύτερη κατανομή της ρητίνης. 13. Σα στάδια 9 έως 11 επαναλαμβάνονται μέχρις ότου τελειώσουν οι στρώσεις ενίσχυσης. 14. την συνέχεια εφαρμόζεται η στρώση peel-ply για καλύτερη εξωτερική επιφάνεια και αποκόλληση των επόμενων στρώσεων. 15. Πάνω από το φιλμ αποκόλλησης, εφαρμόζεται το αντικολλητικό φιλμ που έχει διάκενα και επιτρέπει την εκροή της περίσσειας ρητίνης προς το breather fabric (ή vacuum mesh) 38

40 16. την συνέχεια εφαρμόζεται το vacuum mesh το οποίο στερεοποιείται πάνω στην πλάκα/καλούπι μορφοποίησης. ημειώνεται ότι τα φιλμ των βημάτων έχουν μέγεθος λίγο μεγαλύτερο από αυτό των στρώσεων. 17. Ο σωλήνας που συνδέεται με την αντλία κενού στερεώνεται πάνω στην ταινία στεγανοποίησης. 18. το τέλος εφαρμόζεται το φιλμ στεγανοποίησης με την ματ επιφάνεια να είναι σε επαφή με τον αέρα και την γυαλιστερή επιφάνεια να είναι σε επαφή με την πλάκα προς κατασκευήν. 19. Εφαρμόζεται κενό ( 1atm) για 45min περίπου. 20. Σο σωληνάκι σύνδεσης με την αντλία τσακίζεται και κόβεται και η πολύστρωτη πλάκα πολυμερίζεται ανάλογα με τις συνθήκες που καθορίζονται από την ρητίνη. ΠΡΟΟΦΗ: ε περίπτωση που ο πολυμερισμός πραγματοποιείται σε υψηλές θερμοκρασίες, τα υλικά που επιλέγονται (wax, gel κλπ) για την μορφοποίηση πρέπει να αντέχουν σε αυτές τις θερμοκρασίες όπως και το καλούπι πρέπει να μπορεί να μπαίνει σε φούρνο ΤΝΑΞΗ ΚΑΙ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΑΚΗΗ Σην σύνταξη και επιμέλεια της παρούσας εργαστηριακής άσκησης ανέλαβαν οι κ. Γ. Γκίκας και. Γραμματικός υπό την καθοδήγηση της Ν.-Μ. Μπάρκουλα (Λέκτορας ΣΜΕΤ). 39

41 ΕΡΓΑΣΗΡΙΑΚΗ ΑΚΗΗ 5: «ΒΑΛΛΙΣΙΚΗ ΚΡΟΤΗ ΠΟΛΤΣΡΨΣΨΝ ΠΛΑΚΨΝ» 40

42 ΑΚΗΗ 5: ΒΑΛΛΙΣΙΚΗ ΚΡΟΤΗ ΠΟΛΤΣΡΨΣΨΝ ΠΛΑΚΨΝ 5.0. ΕΙΑΓΨΓΗ Σο παρόν εργαστήριο θα ασχοληθεί με την απόκριση πολύστρωτων πλακών σε κρούση ενδιάμεσωνυψηλών ταχυτήτων. τόχος της παρούσας εργαστηριακής άσκησης είναι να έρθουν οι φοιτητές σε επαφή με τις μεθόδους προσδιορισμού της κρουστικής αντοχής πολύστρωτων πλακών σε ένα εύρος ταχυτήτων και να εκτελέσουν πειράματα βαλλιστικής κρούσης σε σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας ενισχυμένα με ίνες ύαλου, με την χρήσης ιδιοσυσκευής κρούσης υψηλών ταχυτήτων, καθώς και η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της κρούσης. Θα χρησιμοποιηθούν υλικά που κατασκευάστηκαν στο πλαίσιο του εργαστηριακού μαθήματος (εργαστήριο 4) ΘΕΨΡΙΑ Η χρήση σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας ενισχυμένων με ίνες άνθρακα, υάλου και αραμιδίου, σε εφαρμογές που περιλαμβάνουν κρουστικά φορτία συνεχώς αυξάνει. Ψστόσο παρά τα πολλά πλεονεκτήματα των σύνθετων υλικών σε σχέση με παραδοσιακά υλικά (υψηλή ειδική αντοχή και δυσκαμψία) στην περίπτωση επιβολής τέτοιων φορτίων, παρουσιάζουν ένα σημαντικό μειονέκτημα. Ο τρόπος με τον οποίο ένα σύνθετο υλικό αντιδρά στην κρούση καθώς και ο μηχανισμός απορρόφησης της ενέργειας κρούσης διαφέρει κατά πολύ από αυτόν των μετάλλων. την περίπτωση χαμηλών και ενδιάμεσων ταχυτήτων κρούσης, τα μέταλλα απορροφούν την κρουστική ενέργεια μέσω ελαστικής και πλαστικής παραμόρφωσης, και παρόλο που αυτό μπορεί μερικές φορές να οδηγήσει σε μόνιμη παραμόρφωση της δομής μιας κατασκευής, ωστόσο μειώνει ελάχιστα την ικανότητά της να φέρει τα επιβαλλόμενα φορτία χωρίς να αστοχεί. Επιπλέον, στην περίπτωση υψηλών ταχυτήτων κρούσης, συνήθως παρατηρείται διάτρηση της κατασκευής από το βλήμα ή το θραύσμα, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη ρωγμών γύρω από την περιοχή διάτρησης. Έστω και αν έτσι μειώνεται η αντοχή της κατασκευής, είναι δυνατόν να προβλεφθεί η επίδραση τέτοιων ρωγμών στην ικανότητα της κατασκευής να φέρει φορτία μετά την κρούση, χρησιμοποιώντας τις αρχές της θραυσομηχανικής. τα πολύστρωτα σύνθετα υλικά από την άλλη, η ικανότητά τους να απορροφούν την κρουστική ενέργεια μέσω πλαστικών παραμορφώσεων είναι εξαιρετικά περιορισμένη, με αποτέλεσμα η ενέργεια κρούσης να μεταφέρεται εξ ολοκλήρου στην δημιουργία μεγάλων περιοχών θραύσης εντός του υλικού που μειώνουν την αντοχή και την ακαμψία της κατασκευής. Επιπλέον η ικανότητα ενός πολύστρωτου σύνθετου υλικού να φέρει τα φορτία για τα οποία έχει σχεδιασθεί μετά την κρούση, είναι πολύ δύσκολο να προβλεφθεί λόγω της πολυπλοκότητας της δομής ενός τέτοιου υλικού Σαξινόμηση κρουστικών φαινόμενων Γενικά, τα κρουστικά φαινόμενα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα με τα πεδία ταχυτήτων που αναπτύσσονται, χωρίς ωστόσο να υπάρχει σαφής μετάβαση από την μία κατηγορία στην άλλη, ενώ και οι ερευνητές διαφωνούν μεταξύ τους ως προς τα όρια των κατηγοριών αυτών. Ήδη πιο πάνω αναφέρθηκαν αυθαίρετα, κρούσεις χαμηλών, ενδιάμεσων και υψηλών ταχυτήτων. Οι κρούσεις χαμηλής ταχύτητας, είναι της τάξης των1-10 m/sec, μπορούν να θεωρηθούν ως ψευδοστατικές καταστάσεις, και αντιπροσωπεύουν πτώσεις εργαλείων σε σύνθετα υλικά ενώ εξομοιώνονται στο εργαστήριο με συσκευές τύπου Izod, Sharpy 41

43 και Dropweight. Οι κρούσεις ενδιάμεσων ταχυτήτων, είναι της τάξης των m/sec, αντιπροσωπεύουν κρούσεις με θραύσματα βλημάτων ή και αντικειμένων με αεροπλάνα, και εξομοιώνονται εργαστηριακά με πνευματικά όπλα (τύπου gas gun). Οι βαλλιστικές κρούσεις (ή κρούσεις υψηλών ταχυτήτων), είναι της τάξης των m/sec, που μπορεί να περιλαμβάνουν κρούσεις με βλήματα όπλων, και εξομοιώνονται με όπλα πυρίτιδος (powder gun). Σέλος αναφέρονται και οι κρούσεις υπερ-ταχυτήτων, που είναι της τάξης των 15Km/sec, και σχετίζονται με τις κρούσεις αντικειμένων που βρίσκονται σε τροχιά στο διάστημα. Άλλος τρόπος κατηγοριοποίησης των κρουστικών φορτίων που εφαρμόζονται σε πολύστρωτα σύνθετα υλικά είναι ανάλογα με τον βαθμό ζημιάς που προκαλείται στο υλικό από την κρούση. Έτσι, ως κρούσεις υψηλών ταχυτήτων χαρακτηρίζονται αυτές που προκαλούν διάτρηση και θραύση των ινών, ενώ σαν κρούσεις χαμηλών ταχυτήτων αυτές που οδηγούν σε διαστρωματική αποκόλληση (delamination) και θραύση της πολυμερικής μήτρας (matrix cracking) Κρούσεις χαμηλών ταχυτήτων Οι κρούσεις χαμηλής ταχύτητας (Low Velocity Impact - LVI), σε πολύστρωτα σύνθετα υλικά, δεν επιφέρουν διάτρηση της επιφάνειας των υλικών και αντιπροσωπεύουν πτώσεις εργαλείων πάνω στο υλικό, κακό χειρισμό αντικειμένων από τέτοια υλικά και κρούσεις με θραύσματα και πίπτοντα σώματα. Φαρακτηρίζονται από σχετικά χαμηλή ενέργεια κρούσης ενώ τις περισσότερες φορές η βλάβη που προκαλείται στο υλικό δεν είναι εμφανής μέσω οπτικής επιθεώρησης της επιφάνειάς του και δύσκολα μπορεί να ανιχνευθεί. Παρόλα αυτά μειώνει σημαντικά την εναπομένουσα αντοχή του υλικού. τις κρούσεις χαμηλής ταχύτητας, η χρονική διάρκεια επαφής του προσκρουστήρα (impactor) με το υλικό στόχο είναι αρκετά μεγάλη ώστε ολόκληρη η δομή του υλικού να προλάβει να αντιδράσει στην κρούση, με αποτέλεσμα να απορροφηθεί περισσότερη ενέργεια ελαστικά. Μεταξύ άλλων οι πιο σημαντικοί μηχανισμοί αστοχίας είναι (Εικόνα 5.1) : i) αστοχία του υλικού της μήτρας, εμφανίζονται ρωγμές στο μητρικό υλικό (matrix cracking) σε επίπεδα παράλληλα των ινών, εξαιτίας εφελκυστικών, θλιπτικών και διατμητικών φορτίων, ii) πολυεπίπεδες διαστρωματικές αποκολλήσεις (delamination), εξαιτίας των διαστρωματικών τάσεων (interlaminar stresses), iii) αστοχία των ινών (fiber failure), στην περίπτωση ανάπτυξης εφελκυστικών φορτίων οι ίνες θραύονται ενώ σε θλιπτικά φορτία υπόκεινται σε λυγισμό και στρεβλώνονται (buckling), iv) πλήρης διάτρηση του υλικού. i ii iii Εικόνα 5.1: χηματική απεικόνιση του μηχανισμού αστοχίας ινοπλισμένου σύνθετου υλικού κατά την κρούση χαμηλής ταχύτητας. a) ρηγμάτωση του υλικού μήτρας, b) αποστρωματοποίηση c) θραύση ινών 42

44 Κρούσεις ενδιάμεσων και υψηλών (βαλλιστικών) ταχυτήτων τις κρούσεις υψηλών ταχυτήτων (ενδιάμεσων και βαλλιστικών ταχυτήτων m/sec), παρόλο που οι μηχανισμοί θραύσης είναι παρόμοιοι με εκείνους των χαμηλών ταχυτήτων, η απόκριση των πολύστρωτων υλικών είναι αρκετά πιο σύνθετη. την περίπτωση χαμηλής ταχύτητας, η κρουστική ενέργεια μπορεί να απορροφηθεί από την συνολική κάμψη όλου του σύνθετου υλικού μεταφέροντάς την, μακριά από το σημείο πρόσκρουσης. τις υψηλές ταχύτητες ο χρόνος επαφής μεταξύ προσκρουστήρα (βλήματος) και σύνθετου υλικού είναι αρκετά μικρός, με αποτέλεσμα τα κρουστικά φορτία που ασκούνται να επιφέρουν πιο συγκεντρωμένα αποτελέσματα, χωρίς να παραμορφώνουν το δοκίμιο συνολικά (Εικόνα 5.2). χαμηλής ταχύτητας κρούση α) βαλλιστικής ταχύτητας κρούση Εικόνα 5.2: χηματική αναπαράσταση α) ολικής παραμόρφωσης του δοκιμίου για κρούσεις χαμηλών ταχυτήτων, β) συγκεντρωμένη παραμόρφωση για κρούση υψηλών ταχυτήτων β) Ένας επιπλέον μηχανισμός αστοχίας που παρατηρείται, εξαιτίας των μεγάλων τάσεων που δημιουργούνται γύρω από το σημείο πρόσκρουσης είναι η οπή διάτμησης (shear plug). Σο υλικό που έρχεται σε επαφή με το βλήμα «κόβεται» και ωθείται προς τα εμπρός, δημιουργώντας οπή (plug), ελαφρώς μεγαλύτερη από την διάμετρο του βλήματος που μεγαλώνει καθώς διεισδύει στο υλικό (Εικόνα 5.3α). "οπή διάτμησης" Εικόνα 5.3: α) Μηχανισμός αστοχίας και δημιουργία οπής διάτμησης (shear plug) β) πραγματικό υλικό Ο συνολικός μηχανισμός θραύσης που λαμβάνει χώρα στις κρούσεις υψηλών ταχυτήτων περιλαμβάνει, διάτμηση των ινών ( οπή διάτμησης), ανάπτυξη ρωγμών στο μητρικό υλικό, πολυεπίπεδη διαστρωματική αποκόλληση και θραύση των ινών λόγω εφελκυστικών φορτίων. Αρχικά όταν το βλήμα έρχεται σε επαφή 43

45 με το πρώτο στρώμα του πολύστρωτου υλικού, έχει αρκετή κινητική ενέργεια ώστε να «κόψει» τις ίνες διατμητικά. Η διαδικασία αυτή συνεχίζεται διαδοχικά και στις επόμενες στρώσεις, έως ότου η κινητική ενέργεια του βλήματος να μειωθεί τόσο που οι ίνες να μπορούν να προσφέρουν κάποια αντίσταση στην περαιτέρω διάτμηση. ταν αυτό συμβεί οι ίνες που είναι σε επαφή με το βλήμα, «σπρώχνονται» προς τα εμπρός (διαδικασία δημιουργίας οπής διάτμησης). Αποτέλεσμα των παραπάνω είναι να αρχίζουν να δημιουργούνται ρωγμές στο μητρικό υλικό εκατέρωθεν του βλήματος με κατευθύνσεις παράλληλες προς αυτό. Οι ίνες που βρίσκονται σε επαφή με το βλήμα συνεχίζουν να ωθούνται προς τα εμπρός και οι ρωγμές στο μητρικό υλικό αυξάνουν, έως ότου να αποκοπούν όλες οι ίνες της κάθε στρώσης. Παρόλα αυτά, μέχρι να αποκοπούν οι ίνες μιας στρώσης, αυτή ασκεί εγκάρσια φορτία στην επόμενη στρώση (συχνά με ίνες διαφορετικής κατεύθυνσης από την πρώτη στρώση, π.χ. cross-ply) με αποτέλεσμα να την ωθεί και αυτή προς τα εμπρός. Σελικά επέρχεται, ο πλήρης διαχωρισμός μεταξύ των δύο στρώσεων (διαστρωματική αποκόλληση). ταν όλες οι ίνες της πρώτης στρώσης αποκοπούν, η διαδικασία επαναλαμβάνεται στην επόμενη στρώση. Η διαδικασία της διαστρωματικής αποκόλλησης συνεχίζεται καθώς το βλήμα διαπερνά το υλικό. Απ την στιγμή που η κινητική ενέργεια του βλήματος έχει μειωθεί αρκετά, και πλέον χρειάζεται αρκετό χρόνο ώστε να διαπεράσει τις διαδοχικές στρώσεις, ο διαχωρισμός των στρώσεων έχει μεγαλύτερο χρόνο για να αναπτυχθεί αυξάνοντας την περιοχή αποστρωματοποίησης καθώς και την περιοχή των ρωγμών στην μήτρα. Σελικά η διαδικασία θα συνεχιστεί έως ότου, είτε το βλήμα θα διαπεράσει όλο το υλικό είτε θα εγκλωβιστεί από αυτό ΜΕΘΟΔΟΙ ΔΟΚΙΜΨΝ Μέθοδοι δοκιμής κρούσης χαμηλής ταχύτητας Για τις κρούσεις χαμηλής ταχύτητας έχουν αναπτυχθεί αρκετές μέθοδοι δομικής. Οι πιο γνωστές από αυτές που απατώνται στην βιβλιογραφία, και εδώ απλώς αναφέρονται, είναι η διάταξη Charpy, η διάταξη Izod, (Εικόνα 5.4) η συσκευή dropweight (Εικόνα 5.5) και η υδραυλική μηχανή δοκιμής (hydraulic test machine). Εικόνα 5.4: α)χηματική αναπαράσταση της δοκιμής Izod. β) Πραγματική συσκευή (Qualitest International Inc.) 44

46 Εικόνα 5.5: α)χηματική αναπαράσταση της δοκιμής Drop Weight. β) Πραγματική συσκευή Μέθοδοι δοκιμής κρούσης ενδιάμεσων και βαλλιστικών ταχυτήτων Πληθώρα ιδιοσυσκευών έχουν κατά καιρούς χρησιμοποιηθεί για την επίτευξη υψηλών ταχυτήτων κρούσης (άνω των 100m/sec). Αν και οι συσκευές αυτές δεν είναι πανομοιότυπες και διαφέρουν αρκετά, αποτελούνται από τέσσερεις βασικούς μηχανισμούς. Σον μηχανισμό προώθησης και κίνησης του βλήματος, τον μηχανισμό μέτρησης της ταχύτητας του βλήματος, μηχανισμό αξιολόγησης και τον μηχανισμό στήριξης του στόχου και απομόνωσης (Εικόνα 5.6). Εικόνα 5.6: Ιδιοσυσκευή κρούσης υψηλών ταχυτήτων όπου παρουσιάζονται: ο μηχανισμός προώθησης και κίνησης βλήματος, ο μηχανισμό μέτρησης της ταχύτητας του βλήματος, ο μηχανισμός στήριξης του στόχου και ο μηχανισμός αξιολόγησης Μηχανισμός προώθησης και κίνησης του βλήματος Για τον μηχανισμό προώθησης και κίνησης του βλήματος χρησιμοποιούνται δύο τρόποι, είτε μηχανισμός προώθησης τύπου gas gun είτε όπλο πυρίτιδος. τον μηχανισμό προώθησης τύπου gas gun (barrel gun), το βλήμα προωθείτε μέσω βλητικού σωλήνα. αν προωθητικό μέσο χρησιμοποιείται πεπιεσμένο αέριο (αέρας, άζωτο ή ήλιο) που αποθηκεύεται σε πιεστικό δοχείο που συνδέεται με τον βλητικό σωλήνα μέσω κλείστρου. Μεταξύ πιεστικού δοχείου και σωλήνα παρεμβάλλεται πλαστικό διάφραγμα που αποτρέπει το πεπιεσμένο αέριο να περάσει στον βλητικό σωλήνα όπου έχει τοποθετηθεί το βλήμα. ταν επιτευχθεί μια 45

47 προκαθορισμένη πίεση, το διάφραγμα ανοίγει μέσω αυτοματισμού προωθώντας το βλήμα προς τον στόχο. Οι μηχανισμοί τύπου gas gun χρησιμοποιούνται κυρίως για ταχύτητες κρούσεις από m/sec αν και έχουν επιτευχθεί ταχύτητες πολύ υψηλότερες (της τάξης των 1000m/sec και πάνω ). Για ταχύτητες κρούσης άνω των 350m/sec συνήθως χρησιμοποιούνται όπλα πυρίτιδος. Σο προωθητικό μέσω στην περίπτωση αυτή είναι η πυρίτιδα που εκρύγνειται κατά την ανάφλεξη (Εικόνα 5.7). Εικόνα 5.7: Μηχανισμοί προώθησης βλήματος α) gus gan και b) όπλο πυρίτιδας. Σα βλήματα που χρησιμοποιούνται στις κρούσεις υψηλών ταχυτήτων έχουν Εικόνα σφαιρικό, κυλινδρικό, FSP (Fragment Simulation Projectile), ενώ χρησιμοποιούνται και σφαίρες όπλων. Σα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται είναι χάλυβας, αλουμίνιο, χαλκός κ.α. (Εικόνα 5.8). Εικόνα 5.8: Είδη βλημάτων : α)φαιρικό, β)κυλινδρικό, γ) FSP, δ) φαίρα όπλου Μηχανισμός μέτρησης της ταχύτητας του βλήματος υνήθως, στις περισσότερες περιπτώσεις, η ταχύτητα κρούσης μετριέται με ασυνεχή (διακριτό) τρόπο. Ουσιαστικά υπολογίζεται η στιγμιαία ταχύτητα του βλήματος πριν χτυπήσει το στόχο, μετρώντας το χρόνο που χρειάζεται το βλήμα για να διανύσει μια γνωστή απόσταση μεταξύ δύο σημείων, όπου έχουν τοποθετηθεί αισθητήρες. την συνέχεια διαιρώντας την γνωστή απόσταση, διά το χρόνο που έχει μετρηθεί, υπολογίζεται η στιγμιαία ταχύτητα κρούσης. Διάφορες συσκευές που βασίζονται σε αυτή την αρχή είναι οι :, χρονογράφοι (chronographs), οι οπτικοί αισθητήρες (optical sensors), κ.α. (Εικόνα 5.9.a). Σελευταία έχουν αναπτυχθεί από ερευνητές, τεχνικές για την συνεχή μέτρηση της ταχύτητας κρούσης, όπως αυτή που φαίνεται στο Εικόνα 5.9.β (Enhanced laser velocity system - ELVIS). 46

48 Εικόνα 5.9: Μέτρηση της ταχύτητας κρούσης α)ασυνεχής μέτρηση (chronograph), β) συνεχής μέτρηση της ταχύτητας Enhanced laser velocity system (ELVIS). Μηχανισμός αξιολόγησης (μετά την κρούση) Αρκετές διαφορετικές μέθοδοι ανάλυσης χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων κρούσεων βαλλιστικών και υψηλών ταχυτήτων. Η μεγάλη ποικιλία των δοκιμών που παρουσιάζονται στη βιβλιογραφία οφείλεται στην έλλειψη ενιαίων προτύπων δοκιμής, με αποτέλεσμα η σύγκριση των διαφόρων αποτελεσμάτων να είναι αρκετά δύσκολη. Μεταξύ άλλων μέτριονται, η ταχύτητα με την οποία εξέρχεται το βλήμα από το στόχο σε περίπτωση διάτρησης, γνωστή και ως υπολειπομένη ταχύτητα (residual velocity) από την οποία θα προκύψει και απορροφούμενη ενέργεια από το υλικό, το βαλλιστικό όριο V50 (ballistic limit) για το οποίο επιτυγχάνεται διάτρηση και το βάθος διείσδυσης του βλήματος. Μετά την εκτέλεση του πειράματος, μας ενδιαφέρει πρωτίστως να υπολογίσουμε την ενέργεια που απορροφά το υλικό κατά την κρούση (dissipation energy). Για τον υπολογισμό αυτό πρέπει να γνωρίζουμε εκτός από την ταχύτητα κρούσης και την ταχύτητα με την οποία εξέρχεται το βλήμα, από το υπό εξέταση υλικό. Η ταχύτητα αυτή μπορεί να μετρηθεί απευθείας με χρήση κάμερας υψηλής ανάλυσης (Anntena Laser Doppler) ή και παλμογράφου (Εικόνα 5.10α). Επιπλέον μπορεί να μετρηθεί και η δύναμη που ασκείται στο υπό εξέταση υλικό χρησιμοποιώντας μηκυνσιόμετρα (Εικόνα 5.10.β) ή δυναμοκυψέλες. Γνωρίζοντας πλέον την ταχύτητα κρούσης και την υπολειπόμενη ταχύτητα μετά την κρούση μπορούμε να υπολογίσουμε την ενέργεια που απορροφά το υλικό από τον παρακάτω τύπο : Eabsorbed mprojectile Vin Vout (5.1) 2 όπου : E absorbed : η απορροφημένη ενεργεία m projectile : η μάζα του βλήματος V in : η ταχύτητα εισόδου ( ταχύτητα κρούσης) V out : η υπολειπόμενη ταχύτητα 47

49 Εικόνα 5.10: α) Μέτρηση της υπολειπόμενης ταχύτητας με παλμογράφο, β) υνεχής καταγραφή της κρουστικής δύναμης με μηκυνσιόμετρα. Σο βαλλιστικό όριο V50 (ballistic limit) ορίζεται ως η ταχύτητα με την οποία υπάρχει πιθανότητα 50% να γίνει διάτρηση του υλικού κατά την κρούση. Αυτό αντιπροσωπεύει την ταχύτητα με την οποία το βλήμα μόλις και μετά βίας διαπερνά το υλικό. Δύο μέθοδοι υπάρχουν για τον υπολογισμό-μέτρηση του βαλλιστικού ορίου : το στρατιωτικό πρότυπο (military standard) και η μέθοδος της «λογιστικής παλινδρόμησης» (logistic regression analysis) η οποία είναι μια περίπλοκη στατιστική μέθοδος ανάλυσης στην οποία δεν θα επεκταθούμε. Κατά το στρατιωτικό πρότυπο, το βαλλιστικό όριο υπολογίζεται ως ο μέσος όρος, ίσου αριθμού κρούσεων, χαμηλής ταχύτητας πλήρους διάτρησης και υψηλής ταχύτητας μερικής διάτρησης, του υλικού. υνήθως λαμβάνονται οι πέντε βολές με τις χαμηλότερες ταχύτητες για τις οποίες υπήρξε διάτρηση και οι πέντε βολές με τις υψηλότερες ταχύτητες, για τις οποίες δεν υπήρξε διάτρηση. Αθροίζοντας αυτές τις ταχύτητες και διαιρώντας δια δέκα υπολογίζεται το βαλλιστικό όριο. Αν και η μέθοδος αυτή είναι σχετικά απλή και χαμηλού κόστους, αφού μόνο δέκα βολές είναι απαραίτητες, ωστόσο μερικά αποτελέσματα μπορεί να επηρεαστούν από τις επιλογές των ταχυτήτων που θα γίνουν από τον μελετητή. Γνωρίζοντας το βαλλιστικό όριο μπορούμε να υπολογίσουμε την απορροφούμενη ενέργεια από το υλικό από τον παρακάτω τύπο : 1 2 Eabsorbed mprojectile V50 (5.2) 2 όπου : E absorbed : η απορροφημένη ενεργεία m projectile : η μάζα του βλήματος V 50 : το βαλλιστικό όριο Μηχανισμός στήριξης του στόχου πλαίσιο απομόνωσης την Εικόνα 5.11.α παρουσιάζονται διάφοροι τρόποι στήριξης του υλικού-στόχου, που μπορεί να γίνει είτε μεταξύ πλαισίων, είτε με μέγγενη ενώ το πλαίσιο απομόνωσης συνήθως περιβάλλει το υλικό με τον μηχανισμό στήριξης και μέρος της κάνης του όπλου (συνήθως gus-gan)- Εικόνα 5.11.β. 48

50 Εικόνα 5.11: α) τήριξη υλικού σε μέγγενη β) τήριξη υλικού σε πλαίσια και πλαίσιο απομόνωσης ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΙΑ την παρούσα εργαστηριακή άσκηση θα πραγματοποιηθούν βαλλιστικές κρούσεις σε πολύστρωτα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας ενισχυμένα με ίνες υάλου. Θα γίνει χρήση δύο σειρών δοκιμών. Δοκίμια που κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο πειραματικής μελέτης μικρομηχανικής συμπεριφοράς και ευφυών υλικών του τμήματος Μηχανικών των Τλικών, του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων και χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος επίστρωσης με το χέρι. Κατασκευάστηκαν πλάκες UD 8 στρώσεων και πλάκες διαμόρφωσης [(0/90)4]S (cross ply) επίσης 8 στρώσεων, και διαστάσεων 20cm x 20 cm, 25cm x 25cm και 30cm x 30cm. Παράλληλα θα γίνει αξιολόγηση δοκιμίων που κατασκευάστηκαν από τους φοιτητές κατά την εκτέλεση της εργαστηριακής άσκησης 4. Ο μηχανισμός προώθησης βλήματος που χρησιμοποιήθηκες είναι τύπου gas gun. Αποτελείται από την κάνη και τον κορμό (σκανδάλη-αεροθάλμος) αεροβόλου όπλου τύπου FX-Typhoon, ο αεροθάλαμος του οποίου έχει συνδεθεί με φιάλη πεπιεσμένου αέρα 200atm. την φιάλη έχει συνδεθεί μειωτής πίεσης που θα υποβιβάζει την πίεση στην επιθυμητή τιμή. Επίσης υπάρχουν όλα τα αναγκαία ασφαλιστικά (βαλβίδες ασφαλείας, μανόμετρα) (Εικόνα 5.12). Εικόνα 5.12: Μηχανισμός προώθησης βλήματος τύπου gas-gun που χρησιμοποιείται στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση 49

51 Μέτρηση της ταχύτητας κρούσης θα γίνει με χρονογράφο (Chrony), (Εικόνα 5.13), μεταξύ δύο σημείων γνωστής απόστασης, απ τα οποία θα διέλθει το βλήμα πριν χτυπήσει τον στόχο (η απόκλιση του οργάνου είναι της τάξης του ±5%). Σο βλήμα διέρχεται μεταξύ των δύο ζευγαριών «κεραιών» του οργάνου, στις οποίες έχουν προσαρμοστεί λυχνίες. Καθώς το βλήμα κινείται μεταξύ των κεραιών «διακόπτει» το φως των λυχνιών επιτρέποντας στο όργανο να υπολογίσει το χρόνο που απαιτείται για να διανύσει το βλήμα την γνωστή απόσταση μεταξύ αυτών. Τπολογίζοντας το χρόνο και γνωρίζοντας την απόσταση είναι πλέον εύκολο να προσδιοριστεί η στιγμιαία ταχύτητα κρούσης και συνεπώς και η ενέργεια κρούσης. Εικόνα 5.13: α) Μηχανισμός μέτρησης της ταχύτητας του βλήματος (χρονογράφος Chronix). β) βλήματα που χρησιμοποιούνται. Ο μηχανισμός στήριξης του δοκιμίου-υλικού φαίνεται στην Εικόνα λο το σύστημα στήριξης καθώς και τμήμα της κάνης είναι τοποθετημένα μέσα σε ξύλινο πλαίσιο απομόνωσης πάχους 50mm. Η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων μπορεί να γίνει είτε με οπτική επιθεώρηση του σημείου κρούσης (τομή) για την παρατήρηση τυχών μηχανισμών αστοχίας (βλέπε Εικόνα 5.5.β- διάτμηση των ινών ( οπή διάτμησης), ανάπτυξη ρωγμών στο μητρικό υλικό, πολυεπίπεδη διαστρωματική αποκόλληση - delamination και θραύση των ινών λόγω εφελκυστικών φορτίων) είτε με υπολογισμό του βαλλιστικού ορίου πραγματοποιώντας των απαραίτητο αριθμό κρούσεων βάσει του «στρατιωτικού προτύπου». Βήματα εκτέλεσης βαλλιστικής κρούσης 1. Ελέγχουμε την θαλάμη του αεροβόλου να είναι κενή προτού προβούμε σε οποιαδήποτε άλλη ενέργεια. 2. Ελέγχουμε το μανόμετρο που είναι προσαρμοσμένο στο αεροβόλο ώστε να βεβαιωθούμε πως ο αεροθάλαμος του όπλου έχει αρκετή πίεση* για να πραγματοποιηθεί η βολή. 3. τηρίζουμε το πολύστρωτο υλικό στον μηχανισμό στήριξης. 4. Ενεργοποιούμε τις λυχνίες που έχουν προσαρμοστεί στον χρονογράφο και ενεργοποιούμε τον χρονογράφο για μέτρηση ταχύτητας σε m/sec μέσω διακόπτη. 5. Σοποθετούμε το προστατευτικό πλαίσιο απομόνωσης και το ασφαλίζουμε. 50

52 6. Σοποθετούμε το βλήμα στην θαλάμη του αεροβόλου αφού προηγουμένως περιστρέψουμε αριστερόστροφα (κατά ¼ του κύκλου) το κλείστρο και το τραβήξουμε προς τα πίσω μέχρι να σταθεροποιηθεί. 7. πρώχνουμε το κλείστρο προς τα εμπρός και ασφαλίζουμε περιστρέφοντας το τώρα δεξιόστροφα (κατά ¼ του κύκλου). Πλέον το αεροβόλο είναι έτοιμο να βάλλει. 8. Πυροδοτούμε πιέζοντας την σκανδάλη. Αν θέλουμε να αυξήσουμε την δύναμη του αεροβόλου και συνεπώς την ταχύτητα κρούσης περιστρέφουμε την βίδα κάτω από την σκανδάλη δεξιόστροφα. 9. Αποκρίνουμε το προστατευτικό πλαίσιο απομόνωσης και ξεβιδώνουμε τις βίδες που συγκρατούν στο πλαίσιο στήριξης, το δοκίμιο-υλικό. Ελέγχουμε αν έχουμε πλήρης ή μερική διάτρηση του δοκιμίου. Αποκρίνουμε το δοκίμιο προς περεταίρω αξιολόγηση (οπτικό έλεγχο μετά από εγκάρσια τομή στο σημείο της κρούσης). 10. Καταγράφουμε την ταχύτητα κρούσης που μετρήθηκε από το χρονογράφο για τον μετέπειτα υπολογισμό του βαλλιστικού ορίου. 11. Η αποτίμηση της βλάβης μετά από την βαλλιστική κρούση γίνεται με την μέθοδο της υπερηχητικής επιθεώρησης (C-scan) και θα πραγματοποιηθεί στο πλαίσιο της εργαστηριακής άσκησης 6. *Περίπτωση χαμηλή πίεσης αεροθαλάμου πλήρωση από την φιάλη 12. «Κουμπώνουμε» τον σωλήνα πλήρωσης της φιάλης στο στόμιο που φέρει το αεροβόλο πάνω ακριβώς από το μανόμετρό του (πιέζουμε εωσότου ασφαλίσει αφού πρώτα τραβήξουμε προς τα πίσω το μηχανισμό σύνδεσης που βρίσκεται στην άκρη της σωλήνας). 13. Βεβαιωνόμαστε πως η βαλβίδα εξαέρωσης στο μανόμετρο της φιάλης είναι καλά κλειστή. 14. Περιστρέφουμε την βαλβίδα πλήρωσης της φιάλης σιγά-σιγά εωσότου ακούσουμε ένα μικρό θόρυβο. το σημείο αυτό ελέγχουμε την πίεση στο μανόμετρο. Αυτή είναι η πίεση που επικρατεί μέσα στον αεροθάλαμο του όπλου εκείνη την στιγμή. Αν θέλουμε να την αυξήσουμε περιστρέφουμε κι άλλο την βαλβίδα πλήρωσης (μέγιστο 200bar). 15. ταν φτάσουμε στην επιθυμητή πίεση κλείνουμε την βαλβίδα πλήρωσης της φιάλης και ανοίγουμε την βαλβίδα εξαέρωσης της φιάλης, κάτω ακριβώς από το μανόμετρο της φιάλης 16. Αφαιρούμε τον σωλήνα πλήρωσης της φιάλης από το αεροβόλο (προσοχή : αν δεν γίνει εξαέρωση βήμα 4 - δεν μπορούμε να αφαιρέσουμε από τον αεροθάλαμο του όπλου τον σωλήνα πλήρωσης) ΤΝΑΞΗ ΚΑΙ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΑΚΗΗ Σην σύνταξη και επιμέλεια της παρούσας εργαστηριακής άσκησης ανέλαβε ο κ. Ι. Νάκας, ο οποίος σχεδίασε και υλοποίησε και την ιδιοσυσκευή βαλλιστικής κρούσης στο πλαίσιο του μεταπτυχιακής διπλωματικής του εργασίας υπό την επίβλεψη του κ. Α. Παϊπέτη (Αν. Καθηγητής) και της κα. Ν. Μ. Μπάρκουλα (Λέκτορας ΣΜΕΤ). 51

53 ΕΡΓΑΣΗΡΙΑΚΗ ΑΚΗΗ 6: «ΠΟΙΟΣΙΚΟ ΕΛΕΓΦΟ ΤΝΘΕΣΨΝ ΤΛΙΚΨΝ» 52

54 ΑΚΗΗ 6: ΠΟΙΟΣΙΚΟ ΕΛΕΓΦΟ ΤΝΘΕΣΨΝ ΤΛΙΚΨΝ 6.0. ΕΙΑΓΨΓΗ Σο παρόν εργαστήριο θα ασχοληθεί με τον ποιοτικό έλεγχο πολύστρωτων πλακών σύνθετων υλικών. τόχος της παρούσας εργαστηριακής άσκησης είναι να έρθουν οι φοιτητές σε επαφή με τις μεθόδους ποιοτικού ελέγχου συνθέτων υλικών σε θεωρητικό επίπεδο, ενώ σε πειραματικό ο εντοπισμός, o χαρακτηρισμός και η ταυτοποίηση πιθανής βλάβης της δομής συνθέτων. Δοκίμια που έχουν υποστεί τυφλή βλάβη, αλλά και δοκίμια με ορατή βλάβη θα χρησιμοποιηθούν ώστε να εντοπιστεί αλλά και να ποσοτικοποιηθεί η βλάβη αυτή. την παρούσα εργαστηριακή άσκηση, θα χρησιμοποιηθούν η μέθοδος των υπερήχων (C-scan) και η μέθοδος της μικροσκοπίας με σκοπό τον έλεγχο, τον χαρακτηρισμό και την ταυτοποίηση βλάβης σε σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας και ινώδους ενίσχυσης. Θα χρησιμοποιηθούν υλικά που κατασκευάστηκαν στο πλαίσιο του εργαστηριακού μαθήματος (εργαστήριο 4) και υποβλήθηκαν σε βλάβη (εργαστήριο 5) ΘΕΨΡΙΑ Ψς γνωστόν, πλήθος ατελειών και μηχανικών καταπονήσεων έχουν ως αποτέλεσμα δομική υποβάθμιση των κατασκευών. Ατέλειες σε ένα υλικό μπορούν να εμφανιστούν κατά τη διάρκεια της κατασκευής του είτε κατά τη διάρκεια ζωής/χρήσης του. Ψς συνήθεις τύποι ατελειών κυρίως στα σύνθετα υλικά θα μπορούσαν να αναφερθούν οι : Αστοχία ινών Αστοχία μήτρας Αστοχία διεπιφάνειας Διαστρωματική αποκόλληση υνδυασμός των παραπάνω Κάποιες από τις ατέλειες που δύναται να εμφανιστούν : Κακή διαβροχή των ινών με ρητίνη, με αποτέλεσμα τη κακή προσκόλληση των ινών με την μήτρα (αδύναμη διεπιφάνεια) Κακός πολυμερισμός της ρητίνης Κενά (φυσαλίδες αέρα μεγάλη ή μικρή περιεκτικότητα ινών/ρητίνης, μη στερεοποιημένη ρητίνη) Διαστρωματικές αποκολλήσεις Ελεύθερες άκρες ινών Ατέλειες της διάταξης των ινών ενίσχυσης του (π.χ. κακή ευθυγράμμιση) Ατέλειες της γεωμετρίας (π.χ. γεωμετρικές ανωμαλίες, κύρτωση επιφάνειας κ.α.) Σσαλακωμένες ίνες ή πακέτα ινών Σοπικά υπερβολική συσσώρευση ρητίνης ύμφωνα με τα παραπάνω, χρίζεται απαραίτητη η ύπαρξη ελέγχων επιθεώρησης κατασκευών και υλικών. Οι μέθοδοι επιθεώρησης χωρίζονται σε δυο κατηγορίες, στους καταστροφικούς και στους μηκαταστροφικούς. Καταστροφικοί έλεγχοι είναι οι έλεγχοι που επιδρούν καταστρεπτικά στο υλικό ώστε να ληφθούν πληροφορίες για την δομική ακεραιότητα τους. Ψς καταστροφικοί έλεγχοι κατασκευών/δομών αναφέρονται οι μέθοδοι κόπωσης, εφελκυσμού, ερπυσμού, κάμψης (τριών ή τεσσάρων σημείων), η 53

55 μέθοδος μικροσκοπίου και απανθράκωσης. Οι μη καταστροφικοί έλεγχοι (ΜΚΕ) (Non-destructive testing, NDT), είναι έλεγχοι που εφαρμόζονται σε κατασκευές και υλικά χωρίς να βλάπτεται η δομική τους ακεραιότητα και αρτιότητα. Οι ΜΚΕ είναι κλάδος της επιστήμης και τεχνολογίας υλικών, ο οποίος δραστηριοποιείται στον έλεγχο της ποιότητας υλικών και κατασκευών, όπως επίσης και στην εύρεση/υπολογισμό της εναπομένουσας διάρκειας χρήσης και λειτουργίας τους. ύμφωνα με τα παραπάνω, γίνεται φανερό ότι οι ΜΚΕ είναι ζωτικής σημασίας έλεγχοι. Μη καταστροφικές δοκιμές και έλεγχοι χρησιμοποιούνται κοινώς για τον έλεγχο διαστάσεων, τον χαρακτηρισμό καθώς και τη μέτρηση φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων υλικών όπως μέτρα ελαστικότητας, σκληρότητα κ.α. ε πολλές περιπτώσεις οι ιδιότητες του υλικού μπορούν να προσεγγιστούν σε πολύ ικανοποιητικό βαθμό. Οι τεχνικές ΜΚΕ στη πλειοψηφία τους χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση μεταβολών μέσα στη δομή, μικρών αλλαγών στην επιφάνεια, παρουσία ρωγμών ή και άλλων φυσικών ασυνεχειών. υνέπεια του μεγάλου εύρους εφαρμογών είναι η ανάπτυξη και η εξέλιξη διαφορετικών μεθόδων ΜΚΕ με σκοπό την κάλυψη των κατά περίσταση απαιτήσεων της κάθε εφαρμογής. Δεν υπάρχει μία και μοναδική μέθοδος που να λύνει όλα τα προβλήματα του ΜΚΕ και συνεπώς είναι άσκοπος ο χαρακτηρισμός μίας μεθόδου καλύτερης από κάποιας άλλης, ανεξαρτήτως εφαρμογής και κριτηρίων που πρέπει να ικανοποιούνται. Πολλές φορές απαιτείται συνδυασμός μεθόδων προκειμένου να ελεγχθούν και να χαρακτηριστούν οι διάφοροι τύποι βλάβης και αστοχίας. Οι μη-καταστροφικοί μέθοδοι που έχουν αναπτυχθεί μέχρι τα τελευταία χρόνια διακρίνονται ανά κατηγορίες σε: 1. Ακουστική εκπομπή (Acoustic emission) 2. Ακουστό-υπέρηχοι (Acousto-ultrasonic) 3. Διεισδυτικά υγρά (Liquid penetrant) 4. Δινορεύματα (Eddy current) 5. Θερμογραφία (Thermography) 6. Μαγνητικά σωματίδια (Magnetic particle) 7. Ολογραφία (Holography) 8. Οπτικός έλεγχος (Visual inspection) 9. Ραδιογραφία με ακτίνες X ή Γ (X/Γ-Ray radiography) 10.Τπέρηχοι (Ultrasonics, C/L-scan) 11. Ηλεκτρικές μέθοδοι 12. Shearography 13. Μικροσκοπία Τπέρηχοι Σα ηχητικά κύματα είναι μηχανικά κύματα, δηλαδή απαιτούν την ύπαρξη συνεχούς μέσου για να διαδοθούν, σε αντίθεση με τα κύματα φωτός που διαδίδονται και στο κενό. Σα ηχητικά κύματα χωρίζονται σε διαμήκη και εγκάρσια κύματα. Ο διαχωρισμός αυτός γίνεται αν συνυπολογίσουμε τη διεύθυνση διαδόσεως του κύματος και τη διεύθυνση κινήσεως των σωματιδίων του ελαστικού μέσου. Δηλαδή όταν η κίνηση των σωματιδίων είναι κάθετη στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος τότε ονομάζεται εγκάρσιο, ενώ όταν είναι 54

56 παράλληλο ονομάζεται διάμηκες. τα υγρά και τα αέρια η διάδοση γίνεται με διαμήκη κύματα. Παρακάτω (Εικόνα 6.1) φαίνεται μια αναπαράσταση των κυμάτων αυτών. Εικόνα 6.1: χηματική αναπαράσταση κυμάτων. Σο μήκος κύματος λ είναι η απόσταση μεταξύ δυο σημείων του κύματος που έχουν την ίδια φάση ενώ η περίοδος Σ είναι ο χρόνος που απαιτείται ώστε το κύμα να διανύσει απόσταση ίση με το μήκος κύματος. Άρα: c* Ta και f / c (6.1) (6.2) που c η ταχύτητα διάδοσης του κύματος (χαρακτηριστικό του μέσου διάδοσης) και f η συχνότητα κυματικής διάδοσης. Τπέρηχοι είναι οι ήχοι συχνοτήτων υψηλότερων των Hz. Οι ταχύτητες διάδοσης των κυμάτων εξαρτώνται από τις ελαστικές ιδιότητες και την πυκνότητα του υλικού όπως φαίνεται στις παρακάτω σχέσεις : C L E(1 v) (1 v)(1 2 v) (6.3) E G CS 2 (1 v) (6.4) όπου CL, CS, οι ταχύτητες των διαμηκών και εγκαρσίων κυμάτων αντίστοιχα, Ε και G τα μέτρα ελαστικότητας και διάτμησης αντίστοιχα, ν ο λόγος Poisson, και ρ η πυκνότητα. Λύνοντας τις (6.3) και (6.4) ως προς Ε και ν έχουμε: CL 1 2 CL v 2 CS 2 2 CL (6.5) E C v S (1 ) (6.6) Άρα υπολογίζοντας τα CL, CS και ρ, μπορούμε να προσδιορίσουμε τα Ε και ν. Οι δυο παραπάνω τύποι κυμάτων συναντώνται μόνο σε ελαστικά μέσα απείρων διαστάσεων. τη πραγματικότητα συναντώνται και 55

57 τα επιφανειακά κύματα, τα λεγόμενα Rayleigh κύματα (Εικόνα 6.2). Αυτά τα κύματα είναι επιφανειακά και η έντασή τους εξασθενεί πολύ γρήγορα σε διευθύνσεις κάθετες στο δοκίμιο. Επίσης η ταχύτητα διάδοσης τους είναι μικρότερη αυτής των εγκάρσιων και των διαμηκών. Εικόνα 6.2: χηματική αναπαράσταση διάδοσης κυμάτων Rayleigh. Ο μη καταστροφικός έλεγχος με υπερήχους έγκειται στη μελέτη της μεταβολής της διάδοσης των κυμάτων στο υπό έλεγχο αντικείμενο με τη μεταβολή των ιδιοτήτων του. Για αυτό το λόγο οι υπέρηχοι συνήθως δημιουργούνται από ηλεκτρική διέγερση πιεζοκρυστάλλων και εξετάζεται η διάδοσή τους και η αντανάκλασή τους στο υπό εξέταση αντικείμενο. Οι πληροφορίες συλλέγονται με την αντίστροφη διαδικασία, δηλαδή μετατρέποντας το ηχητικό κύμα σε ηλεκτρικό παλμό τον οποίο επεξεργαζόμαστε. Ο λόγος που χρησιμοποιούμε υπερήχους είναι η δυνατότητα για εκπομπές υψηλής έντασης χωρίς αυτές να γίνονται επικίνδυνες για τον άνθρωπο. Αυξάνοντας την ένταση της διέγερσης μειώνεται ο λόγος σήματος προς θόρυβο κάνοντας τα αποτελέσματα πιο αξιόπιστα. Διαταραχές στη διάδοση και στην αντανάκλαση των κυμάτων μπορούν να προκληθούν με τους εξής τρόπους: Διαταραχές λόγω ύπαρξης διεπιφανειών, όπως τα σύνορα σε πεπερασμένων διαστάσεων αντικείμενα, ρωγμές, ξένα σώματα, πολύστρωτα υλικά κτλ Λόγω απορρόφησης ενέργειας από το ίδιο το υλικό (εσωτερική τριβή). Η μελέτη γίνεται συσχετίζοντας τη μεταβολή της έντασης του κύματος με την ύπαρξη κάποιας μορφής αστοχίας ή με τη μεταβολή των ιδιοτήτων του αντικειμένου. Η πολλαπλότητα των εφαρμογών καθώς και οι δυο διαφορετικοί τρόποι κυματικής διαταραχής κάνουν αναγκαία τη χρήση πάνω από μιας μεθόδου υπερήχων. Ο διαχωρισμός μπορεί να γίνει με βάση το αν χρησιμοποιείται ο ίδιος μετατροπέας για την εκπομπή και τη λήψη ή δυο διαφορετικοί. Ένας άλλος διαχωρισμός βασίζεται στο αν το λαμβανόμενο κύμα προέρχεται από αντανάκλαση ή είναι αυτό που τελικά διαπερνά το υπό εξέταση αντικείμενο. Έτσι διακρίνονται δυο γενικές μέθοδοι : Through transmission (shadow method) Echo method και Double through transmission. τη πρώτη μέθοδο χρησιμοποιείται διαφορετικός πομπός (transmitter) και διαφορετικός δέκτης (receiver), οι οποίοι τοποθετούνται είτε ο ένας απέναντι από τον άλλο, είτε και οι δυο στην ίδια πλευρά. Η ύπαρξη ατέλειας τροποποιεί μια ή παραπάνω από τις παρακάτω παραμέτρους: Ένταση (πλάτος) παλμού Φρονική στιγμή έναρξης παλμού 56

58 Αριθμός κύκλων εναλλαγών Απότομη μεταβολή έντασης μεταξύ δυο κύκλων Η μέθοδος παρουσιάζει το μειονέκτημα ότι χρειάζεται προσεκτική ευθυγράμμιση των μετατροπέων στη περίπτωση που βρίσκονται σε απέναντι πλευρές του δοκιμίου και κατάλληλη επιλογή γωνιών όταν βρίσκονται από την ίδια πλευρά. Σο πλεονέκτημα της μεθόδου είναι ότι μπορεί να εφαρμοστεί σε αντικείμενα με ακανόνιστο σχήμα και απαιτεί λιγότερη ενέργεια από την echo method. Για αυτό το λόγο η through transmission μέθοδος πλεονεκτεί έναντι της echo κυρίως σε υλικά με μεγάλη εσωτερική τριβή όπου παρατηρείται έντονη εξασθένιση σήματος και σε αντικείμενα μεγάλων διαστάσεων. Εικόνα 6.3: χηματική αναπαράσταση ανακλάσεων σε δοκίμιο. Η μέθοδος κατά την οποία έχουμε ένα πομπό-δέκτη, ονομάζεται pulse-echo και θεωρείται η πιο σημαντική μέθοδος υπερήχων. Σο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι μπορεί να υπολογισθεί ο σχετικός χρόνος μεταξύ δυο ανακλάσεων και γνωρίζοντας τη θέση του ενός ανακλαστήρα και τη ταχύτητα του ήχου να υπολογισθεί η ακριβής θέση του άλλου. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατός ο εντοπισμός της ατέλειας με ακρίβεια, όπως και το σχήμα και η έκτασή της. Σο μειονέκτημα της μεθόδου είναι ότι απαιτεί σχετικά λείες και παράλληλες επιφάνειες. Παραπάνω (Εικόνα 6.3) φαίνονται πολλαπλές ανακλάσεις μέσα από ένα δοκίμιο. Ο χρόνος μεταξύ δύο ανακλάσεων είναι ο χρόνος που χρειάζεται ο παλμός για να ταξιδέψει από τον αισθητήρα στην πίσω επιφάνεια του δοκιμίου και πάλι στον αισθητήρα. Η εξασθένιση (μείωση του εύρους) είναι εκθετική με το χρόνο. Η ταχύτητα του κύματος μπορεί να υπολογισθεί από το χρόνο Δt μεταξύ δύο ανακλάσεων και το πάχος του υλικού d από τη σχέση (6.7): 2d c t (6.7) Σέλος μια παραλλαγή της μεθόδου αυτής είναι η double through transmission (κυρίως σε συνδυασμό με τη τεχνική εμβάπτισης). τη περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται άλλος ένας ανακλαστήρας (π.χ. μια πλάκα γυαλιού ή plexiglass κάτω από το δοκίμιο) αναγκάζοντας το σήμα να περάσει δυο φορές από αυτό. Έτσι εκτός από τις αντανακλάσεις του σήματος κατά το πρώτο πέρασμα λαμβάνουμε και ένα δεύτερο σήμα που διαπερνά το δοκίμιο κατά την αντίθετη φορά του πρώτου σήματος, το οποίο προέρχεται από την ανάκλαση της σκιάς του αρχικού στη πλάκα του γυαλιού. Η μέθοδος αυτή είναι πολύ διαδεδομένη κυρίως σε εργαστηριακές δοκιμές και παρουσιάζει τα μειονεκτήματα της προηγούμενης μεθόδου, αλλά έχει το 57

59 πλεονέκτημα ότι στο τελικό σήμα έχουμε μεγαλύτερο όγκο πληροφοριών συνδυάζοντας εν μέρει τις δυο προηγούμενες μεθόδους. Για να βελτιστοποιήσουμε τα αποτελέσματά μας πρέπει να μεγιστοποιήσουμε τη μεταφορά ενέργειας από το πομπό στο υπό έλεγχο αντικείμενο και από εκεί στο δέκτη. Οι ακουστικές ιδιότητες των υλικών παίζουν καθοριστικό ρόλο στη μεταφορά ενέργειας στο υλικό που μεσολαβεί μεταξύ του πομπού-δέκτη (μέσο διάδοσης) και του υπό εξέταση αντικειμένου. Για παράδειγμα, αν το μέσο μεταφοράς είναι νερό και το δοκίμιο σύνθετο υλικό όπως εποξική ρητίνη ενισχυμένη με ίνες άνθρακα/γυαλιού, τότε θα έχουμε μεταφορά ενέργειας κατά 75%. Ενώ αν το μέσω μεταφοράς είναι αέρας, τότε θα έχουμε μεταφορά ενέργειας κατά 0,03%. Σο υπόλοιπο ανακλάται ή διασκορπίζεται. Αν για κάποιο λόγο πρέπει να χρησιμοποιήσουμε αέρα σαν μέσο μεταφοράς, τότε πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ειδικούς μετατροπείς, υψηλότερη ενέργεια σήματος και χαμηλότερες συχνότητες εκπομπής. Άλλος τρόπος είναι η χρήση υγρών με υψηλό ιξώδες σαν μέσω μεταφοράς. την περίπτωση αυτή ο πομπός-δέκτης πρέπει να είναι σε επαφή με το δοκίμιο. Μια τεχνική για να αποφύγουμε αυτά τα προβλήματα είναι η τεχνική εμβάπτισης. ε αυτή τη τεχνική γίνεται εμβάπτιση του υπό εξέταση αντικειμένου και του πομπού-δέκτη σε δεξαμενή με νερό. Σα πλεονεκτήματα αυτής της τεχνικής δεν περιορίζονται στο μεγάλο ποσοστό μεταφοράς ακουστικής ενέργειας από το πομπό-δέκτη προς το δοκίμιο και πίσω, αλλά δίνεται η δυνατότητα χρήσης εστιάζουσας ακουστικής δέσμης (focus ultrasound beam), καθώς ο πομπός-δέκτης μπορεί να βρίσκεται σε απόσταση από το δοκίμιο. Σο μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι το ότι όσο αυξάνει το μέγεθος του υπό εξέταση δοκιμίου, τόσο μεγαλύτερο μέγεθος της δεξαμενής εμβάπτισης χρειάζεται, με εμφανή αποτελέσματα στο κόστος και στην ανάγκη χώρου. Επίσης υπάρχουν αντικείμενα που απαγορεύεται η εισαγωγή τους σε νερό. Για παράδειγμα οι κυψελοειδείς πυρήνες (honeycomb) που χρησιμοποιούνται συνήθως στην αεροναυπηγική Μικροσκοπία Η οπτική μικροσκοπία κρίνεται ιδιαίτερα χρήσιμη στον έλεγχο επιφανειακής βλάβης δοκιμίων ή κατασκευών και μέσα σε οπές/πορώδες. Η συνήθης διαδικασία περιλαμβάνει γυάλισμα της επιφάνειας του υπό εξέταση δοκιμίου σε ειδική συσκευή λείανσης και στη συνέχεια έλεγχο κατά διαστήματα, κατά τη διάρκεια των μηχανικών δοκιμών. Ιδανικά, το δοκίμιο πρέπει να απομακρύνεται κάθε φορά από την μηχανή δοκιμών για να εξετασθεί ως προς βλάβες/ατέλειες, κάτι το οποίο δεν είναι πάντα επιτεύξιμο. Έτσι, εναλλακτικά, η μέθοδος δύναται να χρησιμοποιηθεί καταστρεπτικά, αποκόπτοντας ένα τμήμα του δοκιμίου, το οποίο ύστερα από κατάλληλη προετοιμασία, όπως εγκιβωτισμός, λείανση και γυάλισμα εξετάζεται οπτικά με το μικροσκόπιο. Η μέθοδος είναι χρήσιμη για δοκιμές όπου η απομάκρυνση του δοκιμίου είναι αδύνατη ώστε αυτές να έχουν επιτυχία, όπως η δοκιμή διαστρωματικής δυσθραυτότητας (interlaminar toughness test), όπου είναι απαραίτητος ο υπολογισμός του μήκους της ρωγμής σαν συνάρτηση των κύκλων φόρτισης. Μια διαφορετική άποψη είναι η τεχνική της απανθράκωσης, όπου δοκίμιο ή τμήμα αυτού καταστρέφεται ολοκληρωτικά με την εισαγωγή του σε φούρνο υψηλών θερμοκρασιών κατάλληλες ώστε να επιτευχθεί απανθράκωση της πολυμερικής μήτρας αλλά όχι της ινώδους ενίσχυσης. Σο προκύπτων υλικό, μπορεί εύκολα να διαχωριστεί σε στρώσεις, δίνοντας πληροφορίες για διαστρωματικές αποκολλήσεις, ρωγμές (μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας διάλυμα χλωριούχου χρυσού πριν από τη διαδικασία φουρνίσματος) όπως και σπασμένες/κομμένες ίνες ενίσχυσης. Αν και η μέθοδος είναι καταστρεπτική, 58

60 αποδεικνύεται πολύ χρήσιμη στην ταυτοποίηση βλάβης μηχανικά καταπονημένων δοκιμίων. Σέλος, δοκιμές κόπωσης πολυμερικών δοκιμίων αποτυπώνουν χαρακτηριστικά στοιχεία στην επιφάνεια τους, τα οποία είναι χρήσιμα για τον προσδιορισμό της ανάπτυξης και εξέλιξης της βλάβης. Φρήση των μεθόδων δίνει τη δυνατότητα υπολογισμού του κλάσμα όγκου (volume fraction) ινών ενίσχυσης ως προς τη πολυμερική μήτρα. Ο υπολογισμός αυτός είναι ιδιαίτερα σημαντικός για τον χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων των συνθέτων κατασκευών. Εικόνα 6.4: (αριστερά) Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM), (δεξιά) CFRP από SEM 6.2. ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΙΑ Τπερηχητική επιθεώρηση (C-scan) τον εξοπλισμό του εργαστηρίου συμπεριλαμβάνονται Η/Τ με ενσωματωμένη ψηφιακή κάρτα ανάλυσης δεδομένων, μονάδα ελέγχου κίνησης αξόνων, μηχανισμό κίνησης αξόνων, άξονες κίνησης και δοχείο βύθισης δοκιμίων. Παρακάτω παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη της μεθόδου. Εικόνα 6.5: χηματική αναπαράσταση της μεθόδου υπερήχων. 59

61 Εικόνα 6.6: Πειραματική διάταξη υπερήχων. Για τις ανάγκες των πειραμάτων της παρούσης χρησιμοποιείται το σύστημα Ultrapac (Εικ.ΦΦ). Κατά τη διάρκεια του ελέγχου το δοκίμιό μας είναι βυθισμένο σε νερό το οποίο είναι το μέσο διάδοσης των κυμάτων. Η καταγραφή της εικόνας γίνεται άμεσα κατά τη διάρκεια της επιθεώρησης. Η μέθοδος απεικονίζει για κάθε θέση x-y στο επίπεδο την ένταση-πλάτος του σήματος. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται ηλεκτρονικό κύκλωμα (time gate) όπου για τη θέση ελέγχου δίνει ως έξοδο στο καταγραφικό, τάση ανάλογη του πλάτους του σήματος. Για να βελτιστοποιηθεί η ανάλυση/ακρίβεια της μεθόδου χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικά time gates κατά το μήκος (χ άξονα) και ύψος (ψ άξονα) της λαμβανόμενης κυματομορφής, τα οποία αντιστοιχούν σε διαφορετικά τμήματα (κατά το πάχος) της σύνθετης πλάκας/κατασκευής. Η πειραματική διαδικασία περιλαμβάνει : Επιλογή του κατάλληλου αισθητήρα/πομπού-δέκτη υπερήχων Σοποθέτηση και ευθυγράμμιση του δοκιμίου στην ειδική βάση στήριξης Ρύθμιση της ταχύτητας και των διαστάσεων σκαναρίσματος Έναρξη του πειράματος και παρατήρηση αποτελεσμάτων Ποιοτική ανάλυση αποτελεσμάτων Σα υλικά που θα χρησιμοποιηθούν για να πιστοποιηθεί και ποσοτικοποιηθεί η βλάβη είναι σύνθετα υλικά εποξικής μήτρας ενισχυμένα με ίνες άνθρακα, με τεχνητή βλάβη (τυφλή βλάβη) αλλά και σύνθετα υλικά εποξικής μήτρας ενισχυμένα με ίνες γυαλιού, με ορατή βλάβη μετά από βαλλιστική κρούση (εργαστήριο 6) Οπτική μικροσκοπία Για τις ανάγκες της οπτικής μικροσκοπίας, χρησιμοποιείται οπτικό μικροσκόπιο τελευταίας τεχνολογίας. Σα βήματα της πειραματικής διαδικασίας εκτός των άλλων είναι : Κοπή τμημάτων από δοκίμια μηχανικώς καταπονημένα Εγκιβωτισμός με χρήση ειδικής ρητίνης Λείανση και γυάλισμα των δοκιμίων Λήψη εικόνων με χρήση του οπτικού μικροσκοπίου. 60

62 6.3. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΥΙΑ 1. Application of Ultrasonic C-Scan Techniques for Tracing Defects in Laminated Composite Materials Hasiotis T., Badogiannis E. and Tsouvalis N.G. 2. ΕΡΓΑΣΗΡΙΟ ΤΛΙΚΨΝ VΙ άσκηση ΤΠΕΡΗΦΟΙ ΕΠΑΥΗ (ΜΕΣΡΗΗ ΕΛΑΣΙΚΨΝ ΙΔΙΟΣΗΣΨΝ) --- ΠΑΝΕΠΙΣΗΜΙΟ ΙΨΑΝΝΙΝΨΝ--- ΣΜΗΜΑ ΕΠΙΣΗΜΗ & ΣΕΦΝΟΛΟΓΙΑ ΤΛΙΚΨΝ. 3. ΜΕΛΕΣΗ ΣΟΤ ΑΚΟΤΣΙΚΟΤ ΠΕΔΙΟΤ ΚΑΙ ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟ ΑΙΘΗΣΗΡΨΝ ΤΠΕΡΗΦΨΝ ΓΙΑ ΣΟΝ ΜΗ- ΚΑΣΑΣΡΟΥΙΚΟ ΕΛΕΓΦΟ ΣΨΝ ΤΛΙΚΨΝ, Διπλωματική Εργασία, Ντόβας Μιχαήλ. 4. Fatigue and ultrasonic testing of epoxy-glass composites M. Rojek, J. Stabik, S. Sokół. 5. A method for ultrasonic quality evaluation of glass/polyester composites, G.Wróbel,. Wierzbicki, S. Pawlak. 6. A three-dimensional ply failure model for composite structures, Maur ıcio V. Donadon, S ergio Frascino M. de Almeida, Mariano A. Arbelo, Alfredo R. de Faria, Dept. of Mechanical Engineering, Instituto Tecnol ogico de Aeron autica-ita, CTA-ITA-IEM, PraΈca Mal. Eduardo Gomes, 50, , S ao Jos e dos Campos-SP, Brazil June 19, Investigation of the delamination type defects parameters in multilayered GLARE3-3/2 composite material using air coupled ultrasonics technique. E. Žukauskas, R. Kažys. 8. Techniques for the nondestructive Evaluation of polymer matrix composite George A. Matzkanin H. Thomas Yolken AMMTIAC Rome, NY. 9. Delamination analysis after carbon/epoxy plate drilling. L. M. P. Durão, A. G. Magalhães, João Manuel R. S. Tavares, A. Torres Marques. 10. Evaluation of Defects in FRP Composites by NDT Techniques, B. C. Ray, S. T. Hasan and D. W. Clegg. 11. Inspection of in-service composite-honeycomb structures. Aerospace application note Characterization of composite materials by ultrasonic methods: modelization and application to impact damage. Catherine Potel, Thierry Chotard, Jean-Francois de Belleval and Malk Benzeggagh. 13. Computerized Tomography and C-scan for Measuring Drilling-Induced Delamination in Composite Material Using Twist Drill and Core Drill H. Hocheng and C.C.Tsao. 14. Some physical defects arising in composite material fabrication. W. JOHNSON, S. K. GHOSH. Department of Engineering, University of Cambridge, Cambridge, UK. 15. Numerical analysis of delamination in multilayered composite plates. Y. Ousset, F. Roudolff. 16. Modern Nondestructive Test Methods for Army Ceramic Matrix Composites. Douglas J. Strand Weapons and Materials Research Directorate, ARL. 17. Toray s Strategy for Carbon Fiber Composite Materials. April 11, 2008 Toray Industries, Inc. Senior Vice President Masayoshi Kamiura. 18. OVERVIEW ON THE EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF THE FRACTURE TOUGHNESS IN COMPOSITE MATERIALS Andr as SZEKR ENYES. 19. NDT of Aeropspace Composites by John D.Register, R-CON NDT Inc. 61

63 20. Ultrasonic C-scan determination of ply stacking sequence in carbonfibre composites. R A Smith and B Clarke. Structural Materials Centre, Defence Research Agency, Farnborough, GU14 6TD. 21. Standardization and best practice. W.R. Broughton Living with composites, NDT methods for Large- Scale Composite Structures, NPL. 22. Response of adhesively bonded composite joints to low velocity impact. A thesis by Govind Ramakrishna Pillai. 23. EXPERIMENTAL METHODOLOGY OF STUDY OF DAMAGE INITIATION AND DEVELOPMENT IN TEXTILE COMPOSITES S.V. Lomov, F. Baudry, D.S. Ivanov, T.C. Truong, I. Verpoest, M.Vettory*, H. Xie. 24. Detection and Evaluation of Impact damage in CFRP Laminates Using Ultrasound C-Scan and IR Thermography. N.K.Ravikiran, A.Venkataramanaiah, M.R.Bhat and C.R.L.Murthy. 25. ULTRASONIC SYSTEMS FOR IMAGING & DETECTION Hillger, Wolfgang. 26. HIGH-SENSITIVITY AIR-COUPLED ULTRASONIC IMAGING WITH THE FIRST-ORDER SYMMETRIC LAMB MODE AT ZERO GROUP VELOCITY. Stephen D. Holland and D. E. Chimenti. 27. NDT OF CFRP Strengthened Concrete Bridge Members Using Acousto-Ultrasonic Technology. 28. Post Impact-fatigue Behaviour of Composite Laminates: Current Αnd Novel Technologies For Enhanced Damage Tolerance Alkis Paipetis and Dionysios T. G. Katerelos. 29. ΚΑΙΝΟΣΟΜΟΙ ΜΗ ΚΑΣΑΣΡΟΥΙΚΟΙ ΕΛΕΓΦΟΙ ΑΕΡΟΝΑΤΠΗΓΙΚΨΝ ΕΥΑΡΜΟΓΨΝ ΚΑΙ ΕΚΣΙΜΗΗ ΣΗ ΕΝΑΠΟΜΕΝΟΤΑ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΖΨΗ ΣΟΤ, Μεταπτυχιακή Εργασία, Γραμματικός ωτήριος ΤΝΑΞΗ ΚΑΙ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΑΚΗΗ Σην σύνταξη και επιμέλεια της παρούσας εργαστηριακής άσκησης ανέλαβαν οι κ. Γ. Γκίκας και. Γραμματικός υπό την καθοδήγηση του κ. Α. Παϊπέτη (Αν. Καθηγητής ΣΜΕΤ). 62

64 63

65 ΕΡΓΑΣΗΡΙΑΚΗ ΑΚΗΗ 7: «ΕΥΕΛΚΤΜΟ ΚΑΣΑ ASTM» 64

66 ΑΚΗΗ 7: ΕΥΕΛΚΤΜΟ ΚΑΣΑ ASTM 7.0. ΕΙΑΓΨΓΗ Η παρούσα εργαστηριακή άσκηση ασχολείται με τη μηχανική δοκιμή σύνθετων πολυμερικών υλικών υπό συνθήκες μονοαξονικής εφελκυστικής φόρτισης, σύμφωνα με τις απαιτήσεις του διεθνούς προτύπου D3039 «Πρότυπη Μέθοδος Δοκιμής για τον προσδιορισμό των Ιδιοτήτων σε Εφελκυσμό ύνθετων Τλικών Πολυμερικής Μήτρας» (Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials) της Αμερικανικής Εταιρείας Δοκιμών και Τλικών (American Society for Testing and Materials, ASTM). τόχος της παρούσας εργαστηριακής άσκησης είναι να έρθουν οι φοιτητές σε επαφή με το πρότυπο ASTM, κυρίως τις πληροφορίες που παρέχει, τις οδηγίες εκτέλεσης πειραμάτων, και όλα τα σημεία που πρέπει να ληφθούν υπόψη για να είναι η δοκιμή πιστοποιημένη κατά ASTM. Η θεωρία σχετικά με τις τεχνικές μορφοποίησης πολύστρωτων πλακών περιγράφεται αναλυτικά στο Κεφάλαιο 4 του εργαστηριακού βιβλίου. Οι φοιτητές καλούνται να μελετήσουν το αντίστοιχο κεφάλαιο για καλύτερη κατανόηση. Σο παρόν φυλλάδιο παρουσιάζει το Πρότυπο D3039 στα ελληνικά ΓΕΝΙΚΑ Με την προτεινόμενη μέθοδο μπορούν να προσδιοριστούν οι εφελκυστικές ιδιότητες σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας με ενίσχυση ινών υψηλού μέτρου ελαστικότητας. Η μέθοδος αφορά σύνθετα υλικά συνεχών και ασυνεχών ινών στα οποία οι στρώσεις είναι συμμετρικές ως προς την διεύθυνση φόρτισης. Οι τιμές που αναφέρονται είναι είτε σε μονάδες SI είτε σε μετρικές (ίντσες-πόδια) και πρέπει να θεωρούνται μέρος του προτύπου. Οι μετρικές μονάδες εμφανίζονται σε αγκύλες. Οι τιμές που αναφέρονται στα 2 συστήματα μονάδων δεν είναι ακριβώς ισοδύναμες, έτσι κάθε σύστημα πρέπει να χρησιμοποιείται αυτόνομα. Ο συνδυασμός τιμών από τα 2 συστήματα μονάδων μπορεί να οδηγήσει σε αποκλίσεις από το πρότυπο. Οι κανόνες ασφαλείας που πρέπει να τηρούνται κατά τη διάρκεια των δοκιμών δεν είναι μέρος της διαδικασίας που περιγράφεται στο πρότυπο ΠΡΟΣΤΠΑ ΑΝΑΥΟΡΑ D 792 Test Methods for Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastics by Displacement D 883 Terminology Relating to Plastics D 2584 Test Method for Ignition Loss of Cured Reinforced Resins D 2734 Test Method for Void Content of Reinforced Plastics D 3171 Test Methods for Constituent Content of Composites Materials D 3878 Terminology for Composite Materials D 5229/D 5229M Test Method for Moisture Absorption Properties and Equilibrium Conditioning of Polymer Matrix Composite Materials E 4 Practices for Force Verification of Testing Machines E 6 Terminology Relating to Methods of Mechanical Testing E 83 Practice for Verification and Classification of Extensometers E 111 Test Method for Young s Modulus, Tangent Modulus, and Chord Modulus 65

67 E 122 Practice for Choice of Sample Size to Estimate a Measure of Quality for a Lot or Process E 132 Test Method for Poisson s Ratio at Room Temperature E 177 Practice for Use of the Terms Precision and Bias in ASTM Test Methods E 251 Test Methods for Performance Characteristics of Metallic Bonded Resistance Strain Gages E 456 Terminology Relating to Quality and Statistics E 691 Practice for Conducting an Interlaboratory Study to Determine the Precision of a Test Method E 1012 Practice for Verification of Specimen Alignment Under Tensile Loading E 1237 Guide for Installing Bonded Resistance Strain Gages 7.3. ΟΡΟΛΟΓΙΑ Ορισμοί ροι που σχετίζονται με ίνες υψηλούς μέτρου ελαστικότητας και σύνθετα υλικά που τις περιέχουν, ορίζονται στην πρότυπη ορολογία D Η ορολογία D 883 σχετίζεται με πλαστικά ενώ η ορολογία E 6 με μηχανικές δοκιμές. τατιστικοί όροι περιγράφονται στις ορολογίες E 456 και E Ορισμοί σχετικοί με το παρόν πρότυπο ΗΜΕΙΨΗ Εάν ο όρος περιγράφει φυσική ιδιότητα, οι αναλυτικές της διαστάσεις θα δίνονται αμέσως μετά τον όρο (ή το σύμβολό του) με τη μορφή θεμελιωδών μεγεθών μέσα σε αγκύλες: [M] για μάζα, [L] για μήκος, [T] για χρόνο, [Q] για θερμοκρασία και [nd] για αδιάστασες ποσότητες Ονομαστική τιμή τιμή που υφίσταται μόνο κατ όνομα και αντιστοιχεί σε μια μετρήσιμη ιδιότητα για το σκοπό της διευκόλυνσης της ονοματολογίας. την ονομαστική τιμή ενδέχεται να τεθεί ανοχή, η οποίο θα καθορίζει το αποδεκτό εύρος τιμών Μεταβατική περιοχή (της καμπύλης τάσης-παραμόρφωσης) ονομάζεται η περιοχή στην οποία συμβαίνει σημαντική μεταβολή κλίσης της καμπύλης χωρίς σημαντική αλλαγή της παραμόρφωσης Παραμόρφωση μετάβασης etransition [nd] η τιμή της παραμόρφωσης στο μέσο της μεταβατικής περιοχής ανάμεσα σε 2 ουσιαστικά ευθύγραμμα τμήματα, σε μια διγραμμική καμπύλη τάσηςπαραμόρφωσης Η μηχανική συμπεριφορά πολλών σύνθετων υλικών είναι διγραμμική, όπως μπορεί να είναι ορατό σε γραφήματα αξονικής τάσης ως προς αξονική παραμόρφωση, ή της διαμήκους παραμόρφωσης ως προς την αξονική παραμόρφωση. Τπάρχουν πολλά φυσικά αίτια για την εμφάνιση μεταβατικής περιοχής, με πιο συνήθη τη ρωγμάτωση της μήτρας κατά τη διάρκεια της εφελκυστικής φόρτισης και την αποκόλληση των στρώσεων. ύμβολα 1. A ελάχιστη επιφάνεια διατομής δοκιμίου 2. By ποσοστό κάμψης, επί τοις εκατό, μονοαξονικού δοκιμίου ορθογώνιας διατομής περί τον άξονα y του δοκιμίου (στενή διεύθυνση) 3. Bz ποσοστό κάμψης, επί τοις εκατό, μονοαξονικού δοκιμίου ορθογώνιας διατομής περί τον άξονα y του δοκιμίου (πλατιά διεύθυνση) 66

68 4. CV στατιστικός συντελεστής μεταβλητότητας ενός πληθυσμού δειγμάτων για συγκεκριμένη ιδιότητα 5. E μέτρο ελαστικότητας στη διεύθυνση φόρτισης 6. Ftu εφελκυστική αντοχή στη διεύθυνση φόρτισης 7. Fsu διατμητική αντοχή στη διεύθυνση φόρτισης 8. h πάχος δοκιμίου 9. Lg ενεργό μήκος επιμηκυνσιόμετρου 10. Lmin ελάχιστο απαιτούμενο μήκος επικολλούμενου επιθέματος 11. n αριθμός δοκιμίων ανά πληθυσμό δειγμάτων 12. P φορτίο δοκιμίου 13. Pf φορτίο δοκιμίου κατά την αστοχία 14. Pmax μέγιστο φορτίο δοκιμίου πριν την αστοχία 15. sn 1 στατιστική τυπική απόκλιση ενός πληθυσμού δειγμάτων για συγκεκριμένη ιδιότητα 16. w πλάτος δοκιμίου 17. xi τιμή συγκεκριμένης ιδιότητας - αποτέλεσμα δοκιμής, για μεμονωμένο δοκίμιο από ένα πλήθος δειγμάτων 18. x μέση τιμή ή μέσος όρος ενός πληθυσμού δειγμάτων για συγκεκριμένη ιδιότητα 19. δ μετατόπιση 20. γενικός συμβολισμός παραμόρφωσης, ορθής ή διατμητικής 21. παραμόρφωση υποδεικνυόμενη από επιμηκυνσιόμετρο 22. σ ορθή τάση 23. n λόγος Poisson 7.4. ΠΕΡΙΛΗΧΗ ΣΗ ΜΕΘΟΔΟΤ ΔΟΚΙΜΨΝ Μια λεπτή λωρίδα υλικού σταθερής ορθογωνικής διατομής τοποθετείται στις αρπάγες ενός πλαισίου μηχανικών δοκιμών και υποβάλλεται σε μονότονη εφελκυστική φόρτιση ενώ καταγράφεται το φορτίο. Η αντοχή του υλικού προσδιορίζεται από την τιμή του μέγιστου φορτίου του δοκιμίου πριν την αστοχία. Εφόσον η παραμόρφωση του δοκιμίου καταγράφεται μέσω επιμηκυνσιόμετρων ή άλλου καταγραφικού παραμόρφωσης, μπορεί να προσδιοριστεί η συμπεριφορά τάσης-παραμόρφωσης του υλικού, από την οποία είναι δυνατή η εξαγωγή της αντοχής του υλικού, του μέτρου ελαστικότητας σε εφελκυσμό, του λόγου Poisson και της παραμόρφωσης μετάβασης ΗΜΑΙΑ ΚΑΙ ΦΡΗΗ Η παρούσα μέθοδος δοκιμών έχει σχεδιαστεί ώστε να παράγει δεδομένα εφελκυστικών ιδιοτήτων για τον καθορισμό των προδιαγραφών των υλικών, για έρευνα και ανάπτυξη, για διασφάλιση ποιότητας, για δομικό σχεδιασμό και ανάλυση. Παράγοντες που επηρεάζουν την εφελκυστική απόκριση του υλικού και, ώς τέτοιοι, θα πρέπει να αναφέρονται περιλαμβάνουν τους ακόλουθους: υλικό, μέθοδοι παρασκευής του, τρόπος στοίβαξης των στρώσεων των δοκιμίων, μέθοδοι παρασκευής των δοκιμίων, μέθοδοι μηχανικής κατεργασίας των δοκιμίων, περιβάλλον δοκιμής, ευθυγράμμιση δοκιμίων στις αρπάγες, τύπος αρπαγών, 67

69 ταχύτητα δοκιμής, διάρκεια και θερμοκρασία δοκιμής, πορώδες και ογκομετρικό κλάσμα ενίσχυσης. Οι ιδιότητες που μπορούν να μετρηθούν κατά μήκος της διεύθυνσης φόρτισης, μέσω της παρούσας μεθόδου περιλαμβάνουν: 1. Εφελκυστική αντοχή 2. Παραμόρφωση θραύσης 3. Μέτρο ελαστικότητας σε εφελκυσμό 4. Λόγος Poisson 5. Παραμόρφωση μετάβασης 7.6. ΑΠΟΚΛΙΕΙ ΑΠΟ ΣΗ ΔΙΑΔΙΚΑΙΑ Παρασκευή υλικών και δοκιμίων Κακές πρακτικές παρασκευής του υλικού, απώλεια ελέγχου της ευθυγράμμισης των ινών και βλάβη προκαλούμενη από κακή τεχνική μηχανικής κατεργασίας των δοκιμίων είναι γνωστές αιτίες που οδηγούν σε μεγάλη διασπορά πειραματικών δεδομένων σε σύνθετα υλικά ύστημα ασφάλισης στις αρπάγες Ένα μεγάλο ποσοστό των αστοχιών που συντελούνται μέσα στις αρπάγες, ιδιαίτερα όταν συνδυάζονται με μεγάλη διασπορά δεδομένων, υποδηλώνει προβληματική ασφάλιση του δοκιμίου στις αρπάγες. Μέθοδοι ασφάλισης στις αρπάγες συζητούνται στις παραγράφους 7.2.4, 8.2, και Ευθυγράμμιση συστήματος Τπερβολική κάμψη του δοκιμίου οδηγεί σε πρόωρη αστοχία και σε πολύ ανακριβή υπολογισμό του μέτρου ελαστικότητας. Πρέπει να καταβάλεται κάθε δυνατή προσπάθεια ώστε να αποφεύγεται η επιβολή κάμψης από το σύστημα δοκιμής στο υλικό. Κάμψη μπορεί να προκύψει σαν αποτέλεσμα της απώλειας ευθυγράμμισης του συστήματος αρπαγών ή και από τα δοκίμια αυτά καθ εαυτά αν τοποθετηθούν λανθασμένα στις αρπάγες ή αν είναι εκτός ορίων ανοχής λόγω κακής κατασκευής. Αν υπάρχει αμφιβολία ως προς την ενδογενή ευθυγράμμιση του συστήματος δοκιμών, τότε θα πρέπει να γίνεται ο έλεγχος που προτείνεται στην ενότητα Υαινόμενα άκρων σε πολύστρωτα με στρώσεις υπό γωνία ε πολύστρωτα σύνθετα που περιέχουν στρώσεις εκτός-άξονα παρατηρείται πρόωρη αστοχία και χαμηλότερες τιμές δυσκαμψίας. Για αυτό το λόγο η αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας πολύστρωτων με στρώσεις υπό γωνία μπορεί να υποτιμηθεί δραστικά. Σο φαινόμενο δεν είναι σημαντικό σε ψευδο-ισότροπα πολύστρωτα που περιέχουν σημαντικό αριθμό στρώσεων ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ Mικρόμετρα Σο πάχος του δοκιμίου πρέπει να μετράται με παχύμετρο διεπαφής διπλής μπίλιας ονομαστικής διαμέτρου 4-5mm [0.16 έως 0.20 in]. Σο πλάτος του δοκιμίου πρέπει να μετράται με μικρόμετρο επίπεδης κεφαλής. Η ακρίβεια των οργάνων πρέπει να είναι επαρκής ώστε να διαβάζει στο 1% του πάχους και του πλάτους του δοκιμίου. Για τυπικές γεωμετρίες δοκιμίων, η ορθή μέτρηση πάχους προϋποθέτει όργανο με ακρίβεια 62.5 μm [ in.] ενώ για τη μέτρηση του πλάτους απαιτείται όργανο με ακρίβεια 625 μm [ in] Μηχανή δοκιμών Η μηχανή δοκιμών πρέπει να συμμορφώνεται με την πρακτική που περιγράφεται στο πρότυπο Ε4 και πρέπει να ικανοποιεί τις ακόλουθες απαιτήσεις: 68

70 Κεφαλές μηχανής δοκιμών Η μηχανή δοκιμών πρέπει να είναι εφοδιασμένη με μια σταθερή και μια κινούμενη κεφαλή Μηχανισμός οδήγησης κεφαλών -Ο μηχανισμός οδήγησης των κεφαλών της μηχανής δοκιμών πρέπει να είναι ικανός να προσδίδει στην κινητή κεφαλή ελεγχόμενη ταχύτητα σε σχέση με την σταθερή κεφαλή. Πρέπει να είναι δυνατό να ρυθμιστεί η ταχύτητα της κινούμενης κεφαλής, όπως ορίζεται στην παράγραφο Ένδειξη φορτίου Η συσκευή ανίχνευσης φορτίου της μηχανής δοκιμών πρέπει να είναι ικανή να δείχνει το συνολικό φορτίο που φέρει το δοκιμαζόμενο δοκίμιο. Η συσκευή θα πρέπει να είναι πρακτικά απαλλαγμένη από υστέρηση αδράνειας στον καθορισμένο ρυθμό δοκιμής και πρέπει να δείχνει το φορτίο με ακρίβεια ±1 % στο στιγμιαίο επίπεδο φόρτισης. Σο επίπεδο φόρτισης μπορεί να είναι σχετικά μικρό ώστε να επιτρέπει τον υπολογισμό του μέτρου ελαστικότητας ή πολύ μεγαλύτερο για τον προσδιορισμό της αντοχής, ή και τα δύο, ως απαιτείται κατά περίπτωση. ΗΜΕΙΨΗ 1: Η ανάγκη ακριβούς καταγραφής του φορτίου σε ένα μεγάλο εύρος επιπέδων φόρτισης, όπως για τον προσδιορισμό του μέτρου ελαστικότητας και της αντοχής, θέτει ακραίες απαιτήσεις για τη δυναμοκυψέλη και την βαθμονόμησή της. ε μερικά όργανα, η δυναμοκυψέλη μπορεί να χρειαστεί ειδική βαθμονόμηση. Για συγκεκριμένους συνδυασμούς υλικού και δυναμοκυψέλης, η απαίτηση ταυτόχρονου υπολογισμού του μέτρου ελαστικότητας και της αντοχής μπορεί να είναι αδύνατον να ικανοποιηθεί και να χρειάζεται να γίνουν ανεξάρτητες δοκιμές, με διαφορετικές δυναμοκυψέλες, για τον υπολογισμό κάθε ιδιότητας Αρπάγες Καθεμία από τις κεφαλές της μηχανής δοκιμών πρέπει να φέρει αρπάγη η οποία θα συγκρατεί το δοκίμιο με τρόπο ώστε η διεύθυνση επιβολής του φορτίου στο δοκίμιο να συμπίπτει με τον διαμήκη άξονα του δοκιμίου. Οι αρπάγες θα πρέπει να είναι ικανές να ασκήσουν επαρκή πλευρική πίεση ώστε να αποτρέπεται η ολίσθηση μεταξύ της επιφάνεις της αρπάγης και του δοκιμίου. Εφόσον χρησιμοποιούνται επιθέματα, οι αρπάγες θα πρέπει να είναι αρκετά μακριές ώστε να προεξέχουν του λοξότμητου μέρους του επιθέματος κατά περίπου 10 έως 15 mm [0.5 in]. Είναι ιδιαίτερα επιθυμητό να γίνεται χρήση αρπαγών που έχουν τη δυνατότητα να αυτο-ευθυγραμμίζονται με περιστροφή, ώστε να ελαχιστοποιούνται οι καμπτικές τάσεις στο δοκίμιο. ΗΜΕΙΨΗ 2: Η χρήση ελαφρώς οδοντωτών επιφανειών, με 1 περίπου οδόντωση/mm [25 οδοντώσεις/in], έχει αποδειχθεί ικανοποιητική σε σφηνοειδείς απράγες, δεδομένου ότι οι επιφάνειες διατηρούνται καθαρές και αιχμηρές. Φοντροειδείς οδοντώσεις μπορεί να προκαλέσουν τοπική αστοχία μέσα στην αρπάγη σε δοκίμια χωρίς επιθέματα. ε υδραυλικές αρπάγες έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία ομαλές επιφάνειες, ή διεπιφάνειες από σμυριδόπανο, ή και τα δύο Ευθυγράμμιση συστήματος Κακή ευθυγράμμιση συστήματος μπορεί να οδηγήσει σε πρόωρη αστοχία, σε μεγάλη διασπορά των δεδομένων των ελαστικών ιδιοτήτων, ή και τα δυο. Η μέθοδος E 1012 περιγράφει τις κατευθυντήριες γραμμές για τον προσδιορισμό της κάμψης ενώ περιγράφει και τις πιθανές πηγές απώλειας ευθυγράμμισης κατά τη διάρκεια μιας εφελκυστικής δοκιμής. Επιπρόσθετα της μεθόδου E 1012, ο βαθμός κάμψης σε ένα σύστημα εφελκυσμού, μπορεί να προσδιοριστεί μέσω της ακόλουθης διαδικασίας. Η κάμψη του ίδιου του δοκιμίου αντιμετωπίζεται ανεξάρτητα στην παράγραφο

71 Ένα ορθογώνιο παραλληλεπίπεδο δοκίμιο ευθυγράμμισης, κατά προτίμηση παρόμοιο σε διαστάσεις και δυσκαμψία με το δοκίμιο ενδιαφέροντος, εφοδιάζεται με τρία αξονικά επιμηκυσνιόμετρα παρόμοιου τύπου, δυο στην εμπρόσθια όψη του δοκιμίου, και ένα στην οπίσθια όψη του, όπως δείχνει η Εικόνα 7.1. Εικόνα 7.1: Σοποθέτηση επιμηκυνσιόμετρων στο δοκίμιο ελέγχου της ευθυγράμμισης του συστήματος. Οποιαδήποτε διαφορά στην μετρούμενη παραμόρφωση μεταξύ των επιμηκυνσιομέτρων αυτών κατά τη διάρκεια της φόρτισης, δίνει ένα μέτρο του ποσού κάμψης στο επίπεδο του πάχους (By) και στο επίπεδο του πλάτους (Bz) του δοκιμίου. Η θέση των επιμηκυνσιόμετρων πρέπει κανονικά να είναι είτε στο κέντρο του ενεργού τμήματος του δοκιμίου, εφόσον το ενδιαφέρον είναι στον προσδιορισμό του μέτρου ελαστικότητας, είτε κοντά σε μια από τις αρπάγες, εφόσον υφίσταται πρόβλημα πρόωρης αστοχία στην αρπάγη, ή σε οποιοδήποτε συνδιασμό αυτών των περιοχών Κατά τον προσδιορισμό της ευθυγράμμισης του συστήματος, συνιστάται ο έλεγχος να γίνεται με το ίδιο δοκίμιο σε κάθε μια από τους 4 πιθανούς συνδυασμούς θέσεων (ως προς την αρχική θέση): αρχική θέση (το άνω και έμπροσθεν μέρος κοιτά προς τον παρατηρητή), ανεστραμένη μόνο κατά την έμπροσθενόπισθεν θέση (το άνω και όπισθεν μέρος κοιτά προς τον παρατηρητή), ανεστραμένη μόνο κατά την άνωκάτω θέση (το κάτω και έμπροσθεν μέρος κοιτά προς τον παρατηρητή) και ανεστραμένη τόσο κατά την έμπροσθεν-όπισθεν θέση όσο και κατά την άνω-κάτω θέση (το κάτω και όπισθεν μέρος κοιτά προς τον παρατηρητή). Οι τέσσερις αυτές ομάδες δεδομένων παρέχουν ενδείξεις σχετικά με το αν η κάμψη οφείλεται στο σύστημα αυτό καθ εαυτό, ή σε ανοχή του δοκιμίου ελέγχου της ευθυγράμμισης Σο σημείο μηδενικής παραμόρφωσης μπορεί να ληφθεί είτε πριν είτε μετά την ασφάλιση του δοκιμίου στις αρπάγες. Κατόπιν, παρακολουθείται η παραμόρφωση στο δοκίμιο ελέγχου ευθυγράμμισης 70

72 κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ασφάλισης στις αρπάγες, κατά τη διάρκεια της εφελκυστικής φόρτισης, ή και τα δυο. τις εξισώσεις γίνεται χρήση αυτών των τιμών παραμόρφωσης για να υπολογιστεί το κλάσμα της καμπτικής παραμόρφωσης ως προς την μέση εφελκυστική παραμόρφωση καθώς και το συνολικό ποσοστό κάμψης, Btotal. Φρήσιμες πληροφορίες στην κατανόηση της καμπτικής συμπεριφοράς του συστήματος παρέχει η γραφική παράσταση του ποσοστού κάμψης σαν συνάρτηση της μέσης αξονικής παραμόρφωσης Προβλήματα αστοχίας κατά την ασφάλιση του δοκιμίου στις αρπάγες απαιτούν τον έλεγχο των καμπτικών παραμορφώσεις κοντά στην αρπάγη κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ασφάλισης. Προβλήματα μεγάλης διασποράς στην τιμή του μέτρου ελαστικότητας απαιτούν τον έλεγχο των καμπτικών παραμορφώσεων στην περιοχή φορτίων που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του μέτρου ελαστικότητα, για τη συγκεκριμένη θέση επιμηκυνσιόμετρου. Τπερβολικός αριθμός αστοχιών κοντά στις αρπάγες είναι αιτία εξέτασης των καμπτικών παραμορφώσεων κοντά στις αρπάγες σε υψηλά επίπεδα φόρτισης. Αν και η μέγιστη επιτρεπτή απώλεια ευθυγράμμισης εξαρτάται από το υλικό και τη θέση, μια καλή πρακτική συνιστά περιορισμό του ποσοστού κάμψης σε επίπεδα από 3 εως 5% για μέτριες τιμές παραμόρφωσης (>1000 μ ). ύστημα που επιδεικνύει υπερβολική κάμψη για μια συγκεκριμένη εφαρμογή πρέπει να επαναρυθμιστεί ή να τροποποιηθεί. B B y z ave ave ave (7.1) (7.2) όπου: B y B z επί τοις εκατό κάμψη περί τον άξονα y του συστήματος (στενή διεύθυνση), όπως υπολογίζεται από την εξίσωση 1, % επί τοις εκατό κάμψη περί τον άξονα z του συστήματος (στενό επίπεδο), όπως υπολογίζεται από την εξίσωση 1, % 1, 2 και 3 επιμήκης παραμορφώσεις που μετρήθηκαν από τα επιμηκυνσιόμετρα 1, 2 / 2 /2 ave και 3, αντίστοιχα, του σχήματος 1, μ Σο συνολικό ποσοστό κάμψης είναι: Btotal By Bz (7.3) υσκευή καταγραφής παραμόρφωσης Οι τιμές της παραμόρφωσης προσδιορίζονται είτε μέσω επιμηκυνσιομέτρου είτε μέσω άλλης συσκευής καταγραφής παραμόρφωσης. Η προσάρτηση του αισθητήρα παραμόρφωσης στο δοκίμιο δεν πρέπει να προκαλεί βλάβη στην επιφάνεια του δοκιμίου. Για τον υπολογισμό του λόγου Poisson το δοκίμιο πρέπει να προετοιμάζεται ώστε να μετράται η παραμόρφωση 71

73 τόσο στην διαμήκη όσο και στην πλευρική κατεύθυνση. Για τον υπολογισμό του μέτρου ελαστικότητας, η διαμήκης παραμόρφωση πρέπει να μετράται ταυτόχρονα και στις δυο όψεις του δοκιμίου, ώστε να επιτρέπεται διόρθωση σε περίπτωση κάμψης του δοκιμίου (βλ. παράγραφο για περαιτέρω οδηγίες) Επιλογή επικολλούμενου ηλεκτρομηκυνσιόμετρου αντίστασης Η επιλογή του τύπου του ηλεκτρομηκυνσιόμετρου πρέπει να γίνει με βάση τον τύπο του υλικού. Για τα περισσότερα υλικά συνιστάται ενεργό μήκος 6 mm [0.25 in]. Σα ενεργά μήκη δεν πρέπει να είναι μικρότερα από 3 mm [0.125 in]. Η πιστοποίηση της βαθμονόμησης του επιμηκυνσιόμετρου πρέπει να συμμορφώνεται με την Μέθοδο E 251. Κατά τη δοκιμή πολύστρωτων συνθέτων με στρώσεις πλεκτών υφασμάτων, η επιλογή ενεργού μήκους θα πρέπει να γίνεται με γνώμονα το γεγονός ότι το ενεργό μήκος θα πρέπει να είναι τουλάχιστον όσο μεγάλο είναι η χαρακτηριστική επαναλαμβανόμενη μονάδα πλέξης. Ακολουθούν μερικές κατευθυντήριες γραμμές σχετικά με τη χρήση επιμηκυνσιόμετρων σε σύνθετα υλικά Η διαδικασία προετοιμασίας της επιφάνειας σύνθετων υλικών ινώδους ενίσχυσης σύμφωνα με το πρότυπο E 1237 μπορεί να προκαλέσει διείσδυση στη μήτρα και τραυματισμό των ινών ενίσχυσης, οδηγώντας έτσι σε ακατάλληλα δοκίμια. Οι ίνες ενίσχυσης δεν θα πρέπει να είναι εκτεθιμένες ή τραυματισμένες κατά τη διάρκεια της προετοιμασίας της επιφάνειας. Ο χρήστης θα πρέπει να συμβουλευτεί τον κατασκευαστή του επιμηκυνσιομέτρου σχετικά με τον τρόπο προετοιμασίας της επιφάνειας και τα ενδεικνυόμενα μέσα συγκόλλησης για σύνθετα υλικά Πρέπει να δίνεται προσοχή στην επιλογή ηλεκτρομηκυνσιόμετρου με αντίσταση διότι αν αυτή είναι αρκετά μεγάλη μπορεί να προκαλέσει φαινόμενα θέρμανσης σε χαμηλής αγωγιμότητας υλικά. Αντιστάσεις 350 Ψ και άνω προτιμώνται. Επιπρόσθετη προσοχή πρέπει να δίνεται στην χρήση της ελάχιστης δυνατής τάσης ενεργοποίησης, ανάλογα με την επιθυμητή ακρίβεια (συνιστάται 1 έως 2 V) ώστε να μειωθεί περαιτέρω η ισχύς που καταναλώνεται από το ηλεκτρομηκυνσιόμετρο. Αν το δοκίμιο θερμαίνεται από το ηλεκτρομηκυνσιόμετρο, είναι πιθανό να επηρεαστεί ευθέως η απόδοση του υλικού. Είναι ακόμα πιθανό να επηρεαστεί η τιμή της μετρούμενης παραμόρφωσης σαν αποτέλεσμα της διαφοράς μεταξύ του συντελεστή διόρθωσης της θερμοκρασίας του ηλεκτρομηκυνσιόμετρου και του συντελεστή θερμικής διαστολής του υλικού του δοκιμίου Πρέπει να λαμβάνονται μέτρα για αντιστάθμιση της θερμοκρασίας, ακόμη και όταν η δοκιμή λαμβάνει χώρα σε κανονική ατμόσφαιρα εργαστηρίου. Η αντιστάθμιση της θερμοκρασίας είναι απαραίτητη όταν λαμβάνουν χώρα δοκιμές σε μη-ατμοσφαιρικά περιβάλλοντα Πρέπει να δίνεται προσοχή στην εγκάρσια ευαισθησία του επιλεγμένου ηλεκτρομηκυνσιόμετρου. Ο χρήστης θα πρέπει να συμβουλευτεί τον κατασκευαστή του ηλεκτρομηκυνσιόμετρου σχετικά με τη διόρθωση της εγκάρσιας ευαισθησίας και την επίδρασή της σε σύνθετα υλικά. Η επισήμανση αυτή είναι ιδιαίτερα σημαντική για ηλεκτρομηκυνσιόμετρα που τοποθετούνται εγκάρσια στο δοκίμιο με σκοπό τον υπολογισμό του λόγου Poisson Επιμηκυνσιόμετρα Για τις περισσότερες εφαρμογές, το ενεργό μήκος του επιμηκυνσιόμετρου πρέπει να είναι μεταξύ 10 και 50 mm [0.5 to 2.0 in]. Σα επιμηκυνσιόμετρα πρέπει κατ ελάχιστο να ικανοποιούν τις προδιαγραφές του πρότυπου E 83, και ιδιαίτερα τις απαιτήσεις της Κλάσης B-1 για το εύρος παραμορφώσεων ενδιαφέροντος. Επίσης πρέπει να βαθμονομούνται, στο εύρος αυτό, σύμφωνα με το πρότυπο E 83. Για εξαιρετικά δύσκαμπτα υλικά ή για τη μέτρηση της εγκάρσιας παραμόρφωσης, η 72

74 απόκλιση λάθους που επιτρέπεται από την Κλάση Β-1 μπορεί να είναι σημαντική. ε αυτή την περίπτωση, θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν επιμηκυνσιόμετρα Κλάσης Α. Σο επιμηκυνσιόμετρο θα πρέπει να είναι απαλλαγμένο από υστέρηση αδράνειας στην επιθυμητή ταχύτητα δοκιμής και το βάρος του δεν θα πρέπει να προκαλεί καμπτικές παραμορφώσεις μεγαλύτερες από εκείνες που επιτρέπονται στην παράγραφο ΗΜΕΙΨΗ 3: Είναι γενικά ευκολότερο να βαθμονομηθεί η παραμόρφωση σε επιμηκυνσιόμετρα μεγάλου μήκους (από ότι σε μικρότερου) αφού απαιτείται μικρότερη ακρίβεια στη μετατόπιση του οργάνου βαθμονόμησης του επιμηκυνσιόμετρου Θάλαμος κλιματισμού ταν απαιτείται η δοκιμή υλικών σε μη-κανονικές συνθήκες, πρέπει να χρησιμοποιείται θάλαμος κλιματισμού με έλεγχο της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας. Ο θάλαμος πρέπει να είναι ικανός να διατηρήσει την θερμοκρασία εντός ± 3 C [± 5 F]και την σχετική υγρασία εντός ±3%. Οι συνθήκες του θαλάμου θα πρέπει να παρακολουθούνται είτε συνεχώς μέσω αυτόματου συστήματος είτε χειροκίνητα σε τακτά χρονικά διαστήματα Θάλαμος περιβαλλοντικής δοκιμής Κάθε δοκιμή σε μη-συμβατικές ατμόσφαιρες θα πρέπει να γίνεται σε θάλαμο περιβαλλοντικής δοκιμής. Ο θάλαμος θα πρέπει να είναι ικανός να διατηρήσει κατά τη διάρκεια της δοκιμής, το ενεργό μήκος του δοκιμίου στις επιθυμητές συνθήκες περιβάλλοντος ΔΕΙΓΜΑΣΟΛΗΧΙΑ ΚΑΙ ΔΟΚΙΜΙΑ Δειγματοληψία Για κάθε πειραματική συνθήκη θα πρέπει να δοκιμάζονται τουλάχιστον 5 δοκίμια, εκτός και αν είναι δυνατό να ληφθούν αξιόπιστα αποτελέσματα με χρήση λιγότερων δοκιμίων, όπως στην περίπτωση ενός σχεδιασμένου πειράματος. Για την στατιστική αξιοπιστία των δεδομένων, θα πρέπει να λαμβάνονται συμβουλευτικά υπόψη οι πρακτικές που υπογραμμίζονται στη Μέθοδο Ε122. Η μέθοδος δειγματοληψίας θα πρέπει να αναφέρεται. ΗΜΕΙΨΗ 4 Παραλείπεται Γεωμετρία Ο σχεδιασμός δοκιμίων για καθορισμό της μηχανικής συμπεριφοράς, ειδικά εκείνων που χρησιμοποιούν επιθέματα στις άκρες, παραμένει σε μεγάλο βαθμό τέχνη περισσότερο από επιστήμη. ήμερα ακόμη δεν υπάρχει απόλυτη συμφωνία στη βιομηχανία σχετικά με τον βέλτιστο τρόπο κατασκευής της επιφάνειας που θα ασφαλίσει στις αρπάγες. Καθένα από τα μεγάλα εργαστήρια δοκιμής σύνθετων υλικών έχει αναπτύξει δικές του μεθόδους για τα σύνθετα υλικά που χρησιμοποιεί και τα περιβάλλοντα του εργαστηρίου τους. Αν συγκρίναμε τις μεθόδους αυτές θα βλέπαμε ότι διαφέρουν πολύ, γεγονός που κάνει εξαιρετικά δύσκολο να προταθεί μια κοινή προσέγγιση ή ένα σύνολο προσεγγίσεων. Εξαιτίας αυτής της δυσκολίας, ο ορισμός της γεωμετρίας του δοκιμίου κατακερματίζεται στα ακόλουθα τρία μέρη, που συζητούνται περαιτέρω στις αντίστοιχες παραγράφους: κοπός Βαθμός καθορισμού της γεωμετρίας Γενικές απαιτήσεις Ορισμός σχήματος και ανοχών (υποχρεωτική τήρηση) Ειδικές υστάσεις Ενδεικνυόμενες διαστάσεις (μη υποχρεωτική τήρηση) Λεπτομερή παραδείγματα Συπική πρακτική (μη υποχρεωτική τήρηση) 73

75 Γενικές απαιτήσεις χήμα, Διαστάσεις και Ανοχές Οι απαιτήσεις σε σχήμα, διαστάσεις και ανοχές φαίνονται συγκεντρωτικά στον πίνακα 7.1. Πίνακας 7.1: Απαιτήσεις γεωμετρίας δοκιμίων εφελκυσμού. Παράμετρος Απαιτήσεις δοκιμίων: σχήμα ελάχιστο μήκος ελάχιστο πλάτος ανοχή ελάχιστου πλάτους ελάχιστο πάχος ανοχή ελάχιστου πάχους επιπεδότητα δοκιμίου Απαίτηση σταθερή ορθογωνική διατομή μήκος αρπαγών + πάχος 2 + ενεργό μήκος όπως απαιτείται Α ±1% του πλάτους όπως απαιτείται ±4% του πάχους Απαιτήσεις επιθεμάτων (αν χρησιμοποιούνται) υλικό επιθεμάτων όπως απαιτείται Επιθέματα κατεύθυνση ινών (σύνθετα επιθέματα) όπως απαιτείται πάχος επιθεμάτων διακύμανση πάχους επιθεμάτων γωνία λοξότμησης επιθεμάτων σκαλοπάτι επιθέματος-δοκιμίου επίπεδο με ελαφρά πίεση του δακτύλου όπως απαιτείται Α υμβουλευτείτε την παράγραφο ή τον πίνακα 7.2 ±1% του πάχους των επιθεμάτων 5 εως 90 ο, συμπεριλαμβανομένων εξομαλυσμένα χωρίς βλάβη στο δοκίμιο Φρήση επιθεμάτων τα επιθέματα δεν είναι απαραίτητα. Η σημαντικότερη παράμετρος για την επιλογή των ανοχών του δοκιμίου και των μεθόδων ασφάλισης στις αρπάγες είναι η επιτυχής επιβολή φορτίου στο δοκίμια χωρίς την πρόωρη αστοχία του σαν αποτέλεσμα σημαντικών ασυνεχειών. Κατά συνέπεια, η απόφαση για το αν θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν επιθέματα και ο καθορισμός των κύριων παραμέτρων σχεδιασμού τους μπορεί να παρθεί με βάσει το τελικό αποτέλεσμα: αν δηλαδή ο τύπος και η θέση της αστοχίας είναι αποδεκτά. Αν ο τύπος αστοχίας είναι ικανοποιητικά επαναλαμβανόμενος και αποδεκτός, τότε δεν υπάρχει λόγος αλλαγής της χρησιμοποιούμενης μεθόδου ασφάλισης στις αρπάγες (βλ ) Ειδικές Συστάσεις Πλάτος, Πάχος και Μήκος Σο πλάτος και πάχος του δοκιμίου πρέπει να επιλέγεται με τρόπο ώστε να διευκολύνεται η αστοχία του δοκιμίου μέσα στο ενεργό μήκος και να διασφαλίζεται η ύπαρξη ικανού αριθμού ινών στη διατομή του υλικού, στατιστικά αντιπροσωπευτικού του κύριου όγκου του υλικού. Σο μήκος του δοκιμίου θα πρέπει κανονικά να είναι αρκετά μεγαλύτερο από το απαιτούμενο ώστε να ελαχιστοποιούνται οι καμπτικές τάσεις που προκαλούνται από ελαφρές εκκεντρότητες στις αρπάγες. Σο ενεργό μήκος του δοκιμίου πρέπει να κρατείται όσο το δυνατόν μακρύτερα από τις αρπάγες. Επίσης ο 74

76 όγκος του υλικού που φορτίζεται πρέπει να είναι αρκετός ώστε να παράγεται ένα στατιστικά αξιόπιστο αποτέλεσμα. Οι ελάχιστες απαιτήσεις για σχεδιασμό δοκιμίων, όπως περιγράφονται στον Πίνακα 1, είναι από μόνες τους ανεπαρκής για να δημιουργηθεί ένα σωστά διαστασιολογημένο σχέδιο δοκιμίου με σωστές ανοχές. υνεπώς, θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη συστάσεις για άλλες σημαντικές διαστάσεις, όπως αυτές που αναφέρονται στον Πίνακα 2 για τυπικές διατάξεις υλικών. Ένας αριθμός εργαστηρίων δοκιμών έχει βρει ότι οι γεωμετρίες αυτές παράγουν αποδεκτού τύπου αστοχίες για ένα μεγάλο εύρος συστημάτων υλικών. Ψστόσο η χρήση τους δεν εγγυάται την επιτυχία κάθε υπαρκτού ή μελλοντικού υλικού. Πίνακας 7.2: Προτεινόμενες γεωμετρίες δοκιμίων εφελκυσμού Α Κατεύθυνση Ινών Πλάτος mm [in] υνολ. μήκος Πάχος mm [in] mm [in] Μήκος επιθέματος mm [in] Πάχος επιθέματος mm [in] 0 ο μιας διεύθυνσης 15 [0.5] 250 [10.0] 1.0 [0.040] 56 [2.25] 1.5 [0.062] 7 ή ο μιας διεύθυνσης 25 [1.0] 175 [7.0] 2.0 [0.080] 25 [1.0] 1.5 [0.062] 90 Γωνία λοξότμησης επιθέματος, ο Ισορροπημένη, 25 [1.0] 250 [10.0] 2.5 [1.000] σμυριδόπαν συμμετρική ο Συχαία-ασυνεχής 25 [1.0] 250 [10.0] 2.5 [1.000] σμυριδόπαν ο Α Οι διαστάσεις του πίνακα και οι ανοχές των εικόνων 7.2 και 7.3 είναι μόνο συμβουλευτικές και μπορούν να μεταβάλλονται αρκεί να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις του Πίνακα Ασφάλιση στις αρπάγες/φρήση Επιθεμάτων Ένας μεγάλος αριθμός διατάξεων υλικών όπως πολύστρωτα σύνθετα πολλών διευθύνσεων, υλικά βασισμένα σε υφάσματα ή ενωμένες στρώσεις διαποτισμένων ινών, μπορούν αν δοκιμαστούν χωρίς επιθέματα. Ψστόσο, η χρήση επιθεμάτων συνιστάται ανεπιφύλακτα κατά την καταστροφική δοκιμή υλικών μιας διεύθυνσης (ή πολύστρωτα με έντονη συμμετοχή ινών μιας διεύθυνσης), όταν το φορτίο εφαρμόζεται στη διεύθυνση των ινών Γεωμετρία Επιθεμάτων τον Πίνακα 7.2 παρουσιάζονται οι προτεινόμενες σημαντικές διαστάσεις για τυπικές διατάξεις υλικών. Ένα αριθμός εργαστηρίων δοκιμών έχουν βρει ότι οι διαστάσεις αυτές παράγουν αποδεκτού τύπου αστοχίες για ένα μεγάλο εύρος συστημάτων υλικών. Ψστόσο η χρήση τους δεν εγγυάται την επιτυχία κάθε υπαρκτού ή μελλοντικού υλικού. Η επιλογή της γεωμετρίας επιθέματος που προάγει την αστοχία στο ενεργό μήκος του δοκιμίου εξαρτάται από το υλικό του δοκιμίου, την διεύθυνση των στρώσεων και το είδος των χρησιμοποιούμενων αρπαγών. ε προσεκτικά-χειριζόμενες μη-σφηνοειδείς αρπάγες που λειτουργούν με πίεση, έχουν με επιτυχία χρησιμοποιηθεί τετραγωνισμένα επιθέματα 90 ο. ε σφηνοειδείς αρπάγες χρησιμοποιούνται με πολύ επιτυχία επιθέματα με μικρές γωνίες λοξότμησης (7 to 10 ) και εξομαλυσμένα σκαλοπάτι μετάβασης από το επίθεμα στο δοκίμιο. Για λόγους ευθυγράμμισης, είναι ουσιώδες τα επιθέματα να είναι του ίδιου πάχους Επιθέματα τριβής Δεν χρειάζεται πάντα τα επιθέματα να επικολλούνται στο υπό δοκιμή υλικό, για να βοηθούν στην αποτελεσματική εισαγωγή φορτίου στο δοκίμιο. Έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε αρκετές εφαρμογές επιθέματα τριβής, που ουσιαστικά είναι μη-επικολλούμενα επιθέματα που συγκρατούνται στη θέση τους μέσω της πίεσης από την αρπάγη. Σέτοια επιθέματα χρησιμοποιούνται συχνά σε συνδυασμό με σμυριδόπανο ή κάποιο άλλο ελαφρώς στιλβωτικό μέσο μεταξύ του επιθέματος και του δοκιμίου. ε ειδικές περιπτώσεις, ελαφρώς οδοντωτές σφηνοειδείς αρπάγες (βλέπε ημείωση ΙΙ) έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία με σμυριδόπανο ως τη μόνη διεπιφάνεια μεταξύ της αρπάγης και του δοκιμίου. 75

77 Ψστόσο το στιλβωτικό μέσο πρέπει να είναι ικανό να αντέχει σημαντικά θλιπτικά φορτία. Μερικά είδη σμυριδόπανων έχουν αποδειχθεί αναποτελεσματικά για αυτές τις εφαρμογές εξ αιτίας της αποσύνθεσης του στιλβωτικού μέσου υπό την επίδραση της πίεσης Τλικό επιθέματος Σο πλέον κοινά χρησιμοποιούμενο υλικό επικολλούμενων επιθεμάτων είναι το σύνθετο πολυμερικής μήτρας με ενίσχυση από συνεχείς ίνες υάλου τύπου Ε (πλεκτού ή μη) σε γεωμετρία στρώσεων [0/90]ns. Σο υλικό του επιθέματος συνήθως εφαρμόζεται υπό γωνία 45 ο ως προς τη διεύθυνση φόρτισης ώστε να δώσει μια ομαλή διεπιφάνεια. Άλλες γεωμετρίες που έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία συμπεριλαμβάνουν τα επιθέματα χάλυβα ή επιθέματα από το ίδιο υλικό με αυτό που δοκιμάζεται Μήκος επικολλούμενου επιθέματος ταν χρησιμοποιούνται επικολλούμενα επιθέματα, το ελάχιστο ενδεικνυόμενο μήκος επιθέματος μπορεί αν υπολογιστεί βάσει της ακόλουθης απλής εξίσωσης. Δεδομένου ότι η σχέση δεν λαμβάνει υπόψη την συγκέντρωση των τάσεων που είναι γνωστό ότι αναπτύσσεται στα άκρα των επικολλημένων τμημάτων, το μήκος των επιθεμάτων που υπολογίζεται από τη σχέση θα πρέπει κανονικά να προσαυξάνεται κατά κάποιον παράγοντα, ώστε να μειώνονται οι πιθανότητες αστοχίας στα άκρα αυτά. L F h F tu su min /2 (7.4) όπου L min = ελάχιστο απαιτούμενο μήκος επικολλούμενου επιθέματος, mm [in] tu F = εφελκυστική αντοχή του υλικού του δοκιμίου, MPa [psi] h = πάχος δοκιμίου, mm [in] su F = διατμητική αντοχή συγκολλητικού μέσου, υλικού δοκιμίου ή υλικού επιθέματος (οποιαδήποτε είναι μικρότερη), MPa [psi] Μέσο επικόλλησης επιθεμάτων Οποιοδήποτε συγκολλητικό υψηλής επιμήκυνσης (δύσθραυστο) που ανταποκρίνεται στις περιβαλλοντικές απαιτήσεις μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επικόλληση των επιθεμάτων στο υπό δοκιμή υλικό. Είναι επιθυμητή η δημιουργία μια ομοιόμορφης διεπιφάνειας συγκολλητικού υλικού με ελάχιστο πάχος ώστε να μειώνεται η πιθανότητα ανάπτυξης ανεπιθύμητων τάσεων στην κατασκευή Λεπτομερή παραδείγματα Οι ελάχιστες απαιτήσεις για το σχεδιασμό των δοκιμίων που αναφέρθηκαν στην παράγραφο είναι από μόνες τους ανεπαρκής για να κατασκευαστεί ένα σωστά διαστασιολογημένο σχέδιο δοκιμίου με σωστές ανοχές. Σέτοια σχέδια, σωστά από πλευρά διαστάσεων και ανοχών, φαίνονται στα παραδείγματα της Εικόνας 7.2 (SI) και 7.3 (μετρικό). Οι ανοχές αυτών των σχεδίων είναι σταθερές, όμως ικανοποιούν τις απαιτήσεις του Πίνακα 7.1 για όλες τις προτεινόμενες διατάξεις του Πίνακα

78 Εικόνα 7.2: χέδια δοκιμίων εφελκυσμού (SI) ημειώσεις σχεδίου: 77

79 Εικόνα 7.2: χέδια δοκιμίων εφελκυσμού (μετρικό σύστημα) ημειώσεις σχεδίου: 78