الولايات المتحدة الأمريكية / العالمية: 9292-461-949-1+
أوروبا: 794-3052-011-39+
ar AR
ar AR en_US EN es_MX ES de_DE DE fr_FR FR it_IT IT zh_CN ZH ja JA pt_BR PT tr_TR TR ko_KR KO pl_PL PL
تراسل معنا

التصنيف: المسافة البادئة | الزحف والاسترخاء

 

الخواص الميكانيكية للهيدروجيل

الخصائص الميكانيكية للهيدروجيل

استخدام تحديد النانو

أُعدت بواسطة

دوانجي لي ، دكتوراه وجورج راميريز

مقدمة

يُعرف الهيدروجيل بامتصاصه الفائق للماء مما يسمح بتشابه قريب في المرونة مثل الأنسجة الطبيعية. هذا التشابه جعل الهيدروجيل خيارًا شائعًا ليس فقط في المواد الحيوية ، ولكن أيضًا في الإلكترونيات ، والبيئة ، وتطبيقات المستهلك الجيدة مثل العدسات اللاصقة. يتطلب كل تطبيق فريد خصائص ميكانيكية محددة للهيدروجيل.

أهمية تحديد النانو للهيدروجيل

تخلق الهلاميات المائية تحديات فريدة من نوعها في مجال المسافة النانوية مثل اختيار معلمات الاختبار وإعداد العينة. العديد من أنظمة nanoindentation لها قيود كبيرة لأنها لم يتم تصميمها في الأصل هذه المواد الناعمة. تستخدم بعض أنظمة nanoindentation مجموعة ملف / مغناطيس لتطبيق القوة على العينة. لا يوجد قياس فعلي للقوة ، مما يؤدي إلى تحميل غير دقيق وغير خطي عند الاختبار الناعم مواد. تحديد نقطة الاتصال أمر صعب للغاية مثل العمق هو المعلمة الوحيدة التي يتم قياسها بالفعل. يكاد يكون من المستحيل ملاحظة تغيير المنحدر في العمق مقابل الوقت مؤامرة خلال الفترة التي يقترب فيها طرف إندينتر من مادة هيدروجيل.

للتغلب على قيود هذه الأنظمة ، تم استخدام وحدة النانو الخاصة بـ نانوفيا اختبار ميكانيكي يقيس رد فعل القوة باستخدام خلية تحميل فردية لضمان دقة عالية على جميع أنواع المواد، الناعمة أو الصلبة. الإزاحة التي يتم التحكم فيها بيزو دقيقة للغاية وسريعة. وهذا يسمح بقياس لا مثيل له لخصائص اللزوجة المرنة من خلال القضاء على العديد من الافتراضات النظرية التي يجب أن تأخذها الأنظمة التي تحتوي على مجموعة ملف/مغناطيس ولا توجد ردود فعل للقوة في الاعتبار.

هدف القياس

في هذا التطبيق ، فإن ملف نانوفيا يستخدم الفاحص الميكانيكي ، في وضع Nanoindentation ، لدراسة الصلابة ومعامل المرونة وزحف عينة هيدروجيل.

نانوفيا

PB1000

nanoindenter واختبار الصفر Nanovea PB1000
شروط الاختبار

تم اختبار عينة هيدروجيل موضوعة على شريحة زجاجية بتقنية nanoindentation باستخدام a نانوفيا اختبار ميكانيكي. لهذه المادة الناعمة تم استخدام طرف كروي قطره 3 مم. زاد الحمل خطيًا من 0.06 إلى 10 ملي نيوتن خلال فترة التحميل. تم قياس الزحف بعد ذلك عن طريق تغيير عمق المسافة البادئة عند الحمل الأقصى البالغ 10 ملي نيوتن لمدة 70 ثانية.

سرعة الاقتراب: 100 ميكرومتر / دقيقة

تحميل الاتصال
0.06 ملي نيوتن
ماكس تحميل
10 ملي نيوتن
معدل التحميل

20 ملي نيوتن / دقيقة

زحف
70 ثانية
النتائج والمناقشة

يظهر تطور الحمل والعمق كدالة للوقت في فوجور 1. يمكن ملاحظة أنه في مؤامرة العمق مقابل الوقت، من الصعب جدًا تحديد نقطة تغيير المنحدر في بداية فترة التحميل ، والتي تعمل عادةً كمؤشر حيث يبدأ المؤشر في الاتصال بالمادة اللينة. ومع ذلك ، فإن مؤامرة الحمل مقابل الوقت يوضح السلوك الغريب للهيدروجيل تحت الحمل المطبق. عندما يبدأ الهيدروجيل في الاتصال بالكرة البادئة ، يسحب الهيدروجيل الكرة في الداخل بسبب التوتر السطحي ، والذي يميل إلى تقليل مساحة السطح. يؤدي هذا السلوك إلى الحمل المقاس السلبي في بداية مرحلة التحميل. يزداد الحمل تدريجياً مع غرق إندينتر في هيدروجيل ، ثم يتم التحكم فيه ليكون ثابتًا عند أقصى حمل يبلغ 10 مللي نيوتن لمدة 70 ثانية لدراسة سلوك الزحف للهيدروجيل.

شكل ١: تطور الحمل والعمق كدالة للوقت.

مؤامرة عمق الزحف مقابل الوقت يظهر في الشكل 2، و ال الحمل مقابل النزوح يظهر مؤامرة اختبار nanoindentation في الشكل 3. يمتلك الهيدروجيل في هذه الدراسة صلابة تبلغ 16.9 كيلو باسكال ومعامل يونج يبلغ 160.2 كيلو باسكال ، كما تم حسابه بناءً على منحنى إزاحة الحمل باستخدام طريقة أوليفر-فار.

الزحف هو عامل مهم لدراسة الخواص الميكانيكية للهيدروجيل. يضمن التحكم في ردود الفعل القريبة بين خلية الحمل بيزو وخلية الحمل فائقة الحساسية تحميلًا حقيقيًا ثابتًا أثناء وقت الزحف عند الحد الأقصى للحمل. كما هو موضح في الشكل 2، هيدروجيل ينخفض ~ 42 ميكرومتر نتيجة الزحف في 70 ثانية تحت الحمل الأقصى البالغ 10 ملي نيوتن المطبق بواسطة طرف الكرة 3 مم.

الشكل 2: الزحف بحمل أقصاه 10 ملي نيوتن لمدة 70 ثانية.

الشكل 3: مؤامرة الحمل مقابل الإزاحة للهيدروجيل.

خاتمة

في هذه الدراسة ، أظهرنا أن نانوفيا يوفر الفاحص الميكانيكي ، في وضع Nanoindentation ، قياسًا دقيقًا وقابلًا للتكرار للخواص الميكانيكية للهيدروجيل بما في ذلك الصلابة ومعامل يونغ والزحف. يضمن طرف الكرة الكبير 3 مم الاتصال المناسب بسطح الهيدروجيل. تسمح مرحلة العينة الآلية عالية الدقة بتحديد الموضع الدقيق للوجه المسطح لعينة الهيدروجيل أسفل طرف الكرة. أظهر الهيدروجيل في هذه الدراسة صلابة قدرها 16.9 كيلو باسكال ومعامل يونج 160.2 كيلو باسكال. عمق الزحف ~ 42 ميكرومتر تحت حمولة 10 ملي نيوتن لمدة 70 ثانية.

نانوفيا توفر الفاحصات الميكانيكية وحدات Nano و Micro متعددة الوظائف لا مثيل لها على منصة واحدة. تشتمل كلتا الوحدتين على جهاز اختبار الخدش ، واختبار الصلابة ، ووضع اختبار التآكل ، مما يوفر أوسع نطاق من الاختبارات وأكثرها سهولة في الاستخدام المتاح على جهاز واحد
نظام.

الآن ، لنتحدث عن طلبك

حادث مباشرة

زحف تشوه البوليمرات باستخدام Nanoindentation

زحف تشوه البوليمرات باستخدام Nanoindentation

يتعلم أكثر

تشوه الكريب

من البوليمرات التي تستخدم تحديد النانو

أُعدت بواسطة

دوانجي لي، دكتوراه

مقدمة

كمواد لزجة مرنة ، غالبًا ما تخضع البوليمرات لتشوه يعتمد على الوقت تحت حمولة معينة مطبقة ، تُعرف أيضًا باسم الزحف. يصبح الزحف عاملاً حاسمًا عندما يتم تصميم الأجزاء البوليمرية بحيث تتعرض لضغط مستمر ، مثل المكونات الهيكلية والوصلات والتركيبات وأوعية الضغط الهيدروستاتيكي.

أهمية قياس الكريب للبوليمرات

تلعب الطبيعة المتأصلة للزوجة المرنة دورًا حيويًا في أداء البوليمرات وتؤثر بشكل مباشر على موثوقية خدمتها. تؤثر الظروف البيئية مثل التحميل ودرجة الحرارة على سلوك زحف البوليمرات. غالبًا ما تحدث حالات فشل الزحف بسبب عدم الانتباه لسلوك الزحف المعتمد على الوقت لمواد البوليمر المستخدمة في ظل ظروف خدمة محددة. ونتيجة لذلك، من المهم تطوير اختبار موثوق وكمي للسلوكيات الميكانيكية اللزجة المرنة للبوليمرات. وحدة النانو في NANOVEA أجهزة فحوصات الميكانيكية يطبق الحمل باستخدام بيزو عالي الدقة ويقيس بشكل مباشر تطور القوة والإزاحة في الموقع. إن الجمع بين الدقة والتكرار يجعله أداة مثالية لقياس الزحف.

هدف القياس

في هذا التطبيق ، عرضنا ذلك
الفاحص الميكانيكي NANOVEA PB1000
في nanoindentation الوضع هو أداة مثالية
لدراسة الخواص الميكانيكية اللزجة المرنة
بما في ذلك الصلابة ، معامل يونغ
وزحف المواد البوليمرية.

نانوفيا

PB1000

nanoindenter واختبار الصفر Nanovea PB1000
شروط الاختبار

تم اختبار ثماني عينات مختلفة من البوليمر باستخدام تقنية المسافة النانوية باستخدام جهاز الاختبار الميكانيكي NANOVEA PB1000. مع زيادة الحمل خطيًا من 0 إلى 40 ملي نيوتن ، زاد العمق تدريجياً أثناء مرحلة التحميل. ثم تم قياس الزحف عن طريق تغيير عمق المسافة البادئة عند الحمل الأقصى البالغ 40 ملي نيوتن لمدة 30 ثانية.

اقصى حموله 40 ملي نيوتن
معدل التحميل
80 ميللي نيوتن / دقيقة
معدل التفريغ 80 ميللي نيوتن / دقيقة
وقت الكريب
30 ثانية

النوع الداخلي

بيركوفيتش

الماس

*إعداد اختبار nanoindentation

النتائج والمناقشة

يظهر مخطط الحمل مقابل الإزاحة لاختبارات المسافة النانوية على عينات بوليمر مختلفة في الشكل 1 وتتم مقارنة منحنيات الزحف في الشكل 2. تم تلخيص معامل الصلابة ومعامل يونغ في الشكل 3 ، كما يظهر عمق الزحف في الشكل 4. من الأمثلة في الشكل 1 ، تمثل الأجزاء AB و BC و CD لمنحنى إزاحة الحمل لقياس المسافة النانوية عمليات التحميل والزحف والتفريغ ، على التوالي.

أظهر Delrin و PVC أعلى صلابة من 0.23 و 0.22 جيجا باسكال ، على التوالي ، بينما يمتلك البولي إثيلين منخفض الكثافة أقل صلابة من 0.026 جيجا باسكال بين البوليمرات المختبرة. بشكل عام ، تظهر البوليمرات الأكثر صلابة معدلات زحف أقل. يتميز أنعم البولي إيثيلين منخفض الكثافة بأعلى عمق زحف يبلغ 798 نانومتر ، مقارنة بحوالي 120 نانومتر في Delrin.

تعتبر خصائص الزحف للبوليمرات حاسمة عند استخدامها في الأجزاء الهيكلية. من خلال قياس صلابة البوليمرات وزحفها بدقة ، يمكن الحصول على فهم أفضل لموثوقية البوليمرات المعتمدة على الوقت. يمكن أيضًا قياس الزحف ، وتغيير الإزاحة عند حمل معين ، في درجات حرارة ورطوبة مرتفعة مختلفة باستخدام جهاز الاختبار الميكانيكي NANOVEA PB1000 ، مما يوفر أداة مثالية للقياس الكمي والموثوق للسلوكيات الميكانيكية اللزجة للبوليمرات
في بيئة التطبيق الواقعية المحاكاة.

شكل ١: مؤامرات الحمل مقابل الإزاحة
من البوليمرات المختلفة.

الشكل 2: الزحف بحمل أقصاه 40 ملي نيوتن لمدة 30 ثانية.

الشكل 3: صلابة ومعامل يونغ للبوليمرات.

الشكل 4: زحف عمق البوليمرات.

خاتمة

في هذه الدراسة ، أظهرنا أن NANOVEA PB1000
يقيس الفاحص الميكانيكي الخواص الميكانيكية للبوليمرات المختلفة ، بما في ذلك الصلابة ومعامل يونغ والزحف. هذه الخصائص الميكانيكية ضرورية في اختيار مادة البوليمر المناسبة للتطبيقات المقصودة. أظهر Derlin و PVC أعلى صلابة من 0.23 و 0.22 جيجا باسكال على التوالي ، بينما يمتلك البولي إثيلين منخفض الكثافة أقل صلابة من 0.026 جيجا باسكال بين البوليمرات المختبرة. بشكل عام ، تظهر البوليمرات الأكثر صلابة معدلات زحف أقل. يُظهر أنعم البولي إيثيلين منخفض الكثافة أعلى عمق زحف يبلغ 798 نانومتر ، مقارنة بحوالي 120 نانومتر لديرلين.

توفر أجهزة اختبار NANOVEA الميكانيكية وحدات Nano و Micro متعددة الوظائف لا مثيل لها على منصة واحدة. تشتمل كل من وحدات Nano و Micro على جهاز اختبار الخدش واختبار الصلابة وأوضاع اختبار التآكل ، مما يوفر مجموعة الاختبارات الأكثر وحشية والأكثر سهولة في الاستخدام المتاحة على نظام واحد.

الآن ، لنتحدث عن طلبك

حادث مباشرة

قياس استرخاء الإجهاد باستخدام Nanoindentation

مقدمة

تتميز المواد اللزجة المرنة بخصائصها اللزجة والمرنة. تخضع هذه المواد لتقليل الضغط المعتمد على الوقت (الإجهاد "الاسترخاء") تحت ضغط مستمر ، مما يؤدي إلى خسارة كبيرة في قوة الاتصال الأولية. يعتمد استرخاء الإجهاد على نوع المادة والملمس ودرجة الحرارة والضغط الأولي والوقت. يعد فهم استرخاء الإجهاد أمرًا بالغ الأهمية في اختيار المواد المثلى التي تتمتع بالقوة والمرونة (الاسترخاء) المطلوبين لتطبيقات معينة.

أهمية قياس استرخاء الإجهاد

وفقًا لـ ASTM E328i ، "طرق الاختبار القياسية لاسترخاء الإجهاد للمواد والتركيبات" ، يتم تطبيق قوة خارجية مبدئيًا على مادة أو هيكل مع مسافة داخلية حتى تصل إلى أقصى قوة محددة مسبقًا. بمجرد الوصول إلى الحد الأقصى للقوة ، يتم تثبيت موضع المسافة البادئة عند هذا العمق. ثم يتم قياس التغيير في القوة الخارجية اللازمة للحفاظ على وضع indenter كدالة للوقت. تكمن الصعوبة في اختبار استرخاء الإجهاد في الحفاظ على ثبات العمق. مختبر نانوفيا الميكانيكي nanoindentation وحدة قياس استرخاء الإجهاد بدقة من خلال تطبيق حلقة مغلقة (تغذية راجعة) للتحكم في العمق باستخدام مشغل كهربائي بيزو. يتفاعل المشغل في الوقت الفعلي للحفاظ على ثبات العمق ، بينما يتم قياس التغيير في الحمل وتسجيله بواسطة مستشعر حمل شديد الحساسية. يمكن إجراء هذا الاختبار على جميع أنواع المواد تقريبًا دون الحاجة إلى متطلبات صارمة لأبعاد العينة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إجراء اختبارات متعددة على عينة مسطحة واحدة لضمان تكرار الاختبار

هدف القياس

في هذا التطبيق، تقوم وحدة التحسس النانوي الخاصة بجهاز اختبار Nanovea الميكانيكي بقياس سلوك تخفيف الضغط لعينة من الأكريليك والنحاس. نعرض أن النانوفيا اختبار ميكانيكي هي أداة مثالية لتقييم السلوك اللزج المرن المعتمد على الوقت للمواد البوليمرية والمعادن.

شروط الاختبار

تم قياس استرخاء الإجهاد لعينة من الأكريليك والنحاس بواسطة وحدة nanoindentation في Nanovea Mechanical Tester. تم تطبيق معدلات تحميل مختلفة للمسافة البادئة تتراوح من 1 إلى 10 ميكرومتر / دقيقة. تم قياس الاسترخاء على عمق ثابت بمجرد الوصول إلى الحد الأقصى للحمل المستهدف. تم تنفيذ فترة حجز مدتها 100 ثانية على عمق ثابت وتم تسجيل التغيير في الحمل مع مرور وقت الحجز. أجريت جميع الاختبارات في ظروف محيطة (درجة حرارة الغرفة 23 درجة مئوية) وتم تلخيص معلمات اختبار المسافة البادئة في الجدول 1.

النتائج والمناقشة

الشكل 2 يوضح تطور الإزاحة والحمل كدالة للوقت أثناء قياس استرخاء الإجهاد لعينة أكريليك ومعدل تحميل مسافة بادئة يبلغ 3 ميكرومتر / دقيقة كمثال. يمكن تقسيم هذا الاختبار بالكامل إلى ثلاث مراحل: التحميل والاسترخاء والتفريغ. أثناء مرحلة التحميل ، زاد العمق خطيًا مع زيادة الحمل تدريجيًا. بدأت مرحلة الاسترخاء بمجرد الوصول إلى الحد الأقصى للحمل. خلال هذه المرحلة ، تم الحفاظ على عمق ثابت لمدة 100 ثانية باستخدام ميزة التحكم في عمق حلقة التغذية الراجعة المغلقة للأداة ولوحظ أن الحمل انخفض بمرور الوقت. انتهى الاختبار بأكمله بمرحلة تفريغ لإزالة البادئة من عينة الأكريليك.

تم إجراء اختبارات المسافة البادئة الإضافية باستخدام نفس معدلات تحميل المسافة البادئة ولكن باستثناء فترة الاسترخاء (الزحف). تم الحصول على مؤامرات التحميل مقابل الإزاحة من هذه الاختبارات وتم دمجها في الرسوم البيانية في الشكل 3 لعينات الأكريليك والنحاس. نظرًا لانخفاض معدل تحميل indenter من 10 إلى 1 ميكرومتر / دقيقة ، تحول منحنى الحمل والإزاحة تدريجياً نحو أعماق اختراق أعلى لكل من الأكريليك والنحاس. تنتج هذه الزيادة المعتمدة على الوقت في الإجهاد عن تأثير الزحف اللزج المرن للمواد. يسمح معدل التحميل المنخفض للمادة المرنة اللزجة بالحصول على مزيد من الوقت للتفاعل مع الإجهاد الخارجي الذي تتعرض له والتشوه وفقًا لذلك ..

تم رسم تطور الحمل عند إجهاد ثابت باستخدام معدلات تحميل مختلفة المسافة البادئة في الشكل 4 لكلتا المادتين المختبرتين. انخفض الحمل بمعدل أعلى في المراحل الأولى من مرحلة الاسترخاء (فترة الانتظار 100 ثانية) من الاختبارات وتباطأ بمجرد وصول وقت الانتظار إلى ~ 50 ثانية. تُظهر المواد اللزجة المرنة ، مثل البوليمرات والمعادن ، معدل فقد أكبر للحمل عندما تتعرض لمعدلات تحميل أعلى مسافة بادئة. زاد معدل فقد الحمل أثناء الاسترخاء من 51.5 إلى 103.2 مليون نيوتن للأكريليك ، ومن 15.0 إلى 27.4 مليون نيوتن للنحاس ، على التوالي ، حيث زاد معدل تحميل المسافة البادئة من 1 إلى 10 ميكرومتر / دقيقة ، كما تم تلخيصه في الشكل 5.

كما هو مذكور في ASTM Standard E328ii ، فإن المشكلة الرئيسية التي تمت مواجهتها في اختبارات استرخاء الإجهاد هي عدم قدرة الأداة على الحفاظ على إجهاد / عمق ثابت. يوفر جهاز الفحص الميكانيكي Nanovea قياسات دقيقة وممتازة لاسترخاء الضغط نظرًا لقدرته على تطبيق التحكم في حلقة التغذية الراجعة المغلقة للعمق بين المشغل الكهربائي البيزو سريع المفعول ومستشعر عمق المكثف المستقل. أثناء مرحلة الاسترخاء ، يقوم المشغل الكهربائي بيزو بضبط المسافة البادئة للحفاظ على قيد العمق الثابت في الوقت الفعلي بينما يتم قياس التغيير في الحمل وتسجيله بواسطة مستشعر حمل عالي الدقة مستقل.

خاتمة

تم قياس استرخاء الإجهاد لعينة من الأكريليك والنحاس باستخدام وحدة nanoindentation لجهاز Nanovea الميكانيكي بمعدلات تحميل مختلفة. يتم الوصول إلى أقصى عمق أكبر عندما يتم إجراء المسافات البادئة بمعدلات تحميل منخفضة بسبب تأثير الزحف للمادة أثناء التحميل. يُظهر كل من عينة الأكريليك والنحاس سلوك استرخاء للضغط عندما يكون موضع indenter عند أقصى حمل مستهدف ثابتًا. لوحظت تغييرات أكبر في فقد الحمل أثناء مرحلة الاسترخاء للاختبارات ذات معدلات تحميل المسافة البادئة الأعلى.

يُظهر اختبار استرخاء الإجهاد الذي تم إنتاجه بواسطة جهاز اختبار Nanovea الميكانيكي قدرة الأدوات على تحديد وقياس سلوك اللزوجة المرتبط بالوقت للمواد المعدنية والبوليمر. يحتوي على وحدات Nano و Micro متعددة الوظائف لا مثيل لها على منصة واحدة. يمكن إقران وحدات التحكم في الرطوبة ودرجة الحرارة بهذه الأدوات لإمكانيات الاختبار البيئي المطبقة على مجموعة واسعة من الصناعات. تشتمل كل من وحدات Nano و Micro على اختبار الخدش واختبار الصلابة وأوضاع اختبار التآكل ، مما يوفر أوسع نطاق من إمكانات الاختبار الميكانيكي المتاحة في نظام واحد وأكثرها سهولة في الاستخدام.

الآن ، لنتحدث عن طلبك

حادث مباشرة

التحكم بالرطوبة النانوية لأغشية البوليمر

يتم تعديل الخواص الميكانيكية للبوليمر مع ارتفاع الرطوبة البيئية. تظهر تأثيرات الرطوبة العابرة ، المعروفة أيضًا باسم التأثيرات الميكانيكية الممتصة عندما يمتص البوليمر محتوى رطوبة عاليًا ويختبر سلوك زحف متسارع. يعد الامتثال الأعلى للزحف نتيجة للتأثيرات المركبة المعقدة مثل زيادة الحركة الجزيئية والشيخوخة الجسدية التي يسببها الامتصاص وتدرجات الإجهاد الناجم عن الامتصاص.

لذلك ، هناك حاجة إلى اختبار موثوق وكمي (المسافة النانوية للرطوبة) للتأثير الناجم عن الامتصاص على السلوك الميكانيكي للمواد البوليمرية عند مستويات الرطوبة المختلفة. تطبق وحدة النانو في جهاز الفحص الميكانيكي Nanovea الحمل بواسطة بيزو عالي الدقة وتقيس بشكل مباشر تطور القوة والإزاحة. يتم إنشاء رطوبة موحدة حول طرف المسافة البادئة وسطح العينة من خلال حاوية عزل ، مما يضمن دقة القياس ويقلل من تأثير الانجراف الناجم عن تدرج الرطوبة.

التحكم بالرطوبة النانوية لأغشية البوليمر

حقوق الطبع والنشر © 2024 نانوفيا. كل الحقوق محفوظة.