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Monatliches Archiv: September 2021

Mechanische Eigenschaften des Hydrogels

MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN DES HYDROGELS

MIT NANOINDENTATION

MECHANICAL PROPERTIES OF HYDROGEL​

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD & JORGE RAMIREZ

EINFÜHRUNG

Hydrogel ist dafür bekannt, dass es sehr viel Wasser aufnehmen kann und daher in seiner Flexibilität dem natürlichen Gewebe sehr ähnlich ist. Diese Ähnlichkeit hat dazu geführt, dass Hydrogele nicht nur in Biomaterialien, sondern auch in der Elektronik, im Umweltbereich und bei Verbrauchsgütern wie Kontaktlinsen häufig eingesetzt werden. Jede einzelne Anwendung erfordert spezifische mechanische Eigenschaften des Hydrogels.

BEDEUTUNG DER NANOINDENTATION FÜR HYDROGELE

Hydrogele stellen besondere Anforderungen an die Nanoindentation, wie z. B. die Auswahl der Testparameter und die Probenvorbereitung. Viele Nanoindentationssysteme weisen erhebliche Einschränkungen auf, da sie ursprünglich nicht für folgende Zwecke entwickelt wurden solche weichen Materialien. Einige der Nanoindentationssysteme verwenden eine Spulen-/Magnetanordnung, um Kraft auf die Probe auszuüben. Es erfolgt keine tatsächliche Kraftmessung, was bei der Prüfung weicher Materialien zu ungenauen und nicht linearen Belastungen führt. Materialien. Die Bestimmung des Kontaktpunktes ist äußerst schwierig, da die Die Tiefe ist der einzige Parameter, der tatsächlich gemessen wird. Es ist fast unmöglich, die Veränderung des Gefälles in der Tiefe vs. Zeit Handlung während der Zeitraum, in dem sich die Eindringspitze dem Hydrogelmaterial nähert.

Um die Einschränkungen dieser Systeme zu überwinden, wurde das Nanomodul des NANOVEA Mechanischer Tester Misst die Kraftrückkopplung mit einer einzelnen Kraftmessdose, um eine hohe Genauigkeit bei allen Arten von Materialien, ob weich oder hart, zu gewährleisten. Die piezogesteuerte Verschiebung erfolgt äußerst präzise und schnell. Dies ermöglicht eine beispiellose Messung viskoelastischer Eigenschaften, indem viele theoretische Annahmen eliminiert werden, die Systeme mit einer Spulen-/Magnetanordnung und ohne Kraftrückkopplung berücksichtigen müssen.

MESSZIEL

Bei dieser Anwendung ist die NANOVEA Das mechanische Prüfgerät im Nanoindentationsmodus wird zur Untersuchung der Härte, des Elastizitätsmoduls und des Kriechverhaltens einer Hydrogelprobe verwendet.

NANOVEA PB1000 Mechanischer Tester

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Nanoindenter und Kratzprüfgerät Nanovea PB1000

TESTBEDINGUNGEN

Eine auf einem Glasobjektträger platzierte Hydrogelprobe wurde mittels Nanoindentationstechnik mit einem NANOVEA Mechanischer Tester. Für dieses weiche Material wurde eine kugelförmige Spitze mit 3 mm Durchmesser verwendet. Die Belastung stieg während des Belastungszeitraums linear von 0,06 bis 10 mN an. Das Kriechen wurde dann durch die Änderung der Eindringtiefe bei der maximalen Belastung von 10 mN für 70 Sekunden gemessen.

ANNÄHERUNGSGESCHWINDIGKEIT: 100 μm/min

KONTAKT LADUNG
0,06 mN
MAX BELASTUNG
10 mN
LADUNGSVERFAHREN

20 mN/min

CREEP
70 s
Hydrogel Testing Indentation

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Die Entwicklung der Belastung und der Tiefe in Abhängigkeit von der Zeit ist dargestellt in FUGUR 1. Es ist zu beobachten, dass auf dem Diagramm der Tiefe vs. ZeitWenn man den Punkt der Neigungsänderung zu Beginn der Belastungsperiode bestimmt, ist es sehr schwierig, den Punkt zu bestimmen, an dem der Eindringkörper beginnt, das weiche Material zu berühren. Allerdings ist die Darstellung der Last vs. Zeit zeigt das eigentümliche Verhalten des Hydrogels unter einer Belastung. Sobald das Hydrogel mit dem Kugeleindringkörper in Berührung kommt, zieht das Hydrogel den Kugeleindringkörper aufgrund seiner Oberflächenspannung an, was zu einer Verringerung der Oberfläche führt. Dieses Verhalten führt dazu, dass die gemessene Belastung zu Beginn der Belastungsphase negativ ist. Die Belastung nimmt allmählich zu, wenn der Eindringkörper in das Hydrogel eindringt, und wird dann 70 Sekunden lang konstant auf die maximale Belastung von 10 mN geregelt, um das Kriechverhalten des Hydrogels zu untersuchen.

hydrogel characterization
nanoindentation of hydrogels

ABBILDUNG 1: Entwicklung der Belastung und der Tiefe in Abhängigkeit von der Zeit.

Die Handlung des Kriechtiefe vs. Zeit wird gezeigt in ABBILDUNG 2und die Last vs. Verdrängung Das Diagramm des Nanoindentationstests ist dargestellt in ABBILDUNG 3. Das Hydrogel in dieser Studie besitzt eine Härte von 16,9 KPa und einen Elastizitätsmodul von 160,2 KPa, wie anhand der Lastverschiebungskurve nach der Oliver-Pharr-Methode berechnet.

Kriechen ist ein wichtiger Faktor für die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften eines Hydrogels. Die enge Rückkopplungsschleife zwischen Piezo und ultrasensibler Kraftmesszelle gewährleistet eine wirklich konstante Belastung während der Kriechzeit bei maximaler Belastung. Wie in ABBILDUNG 2Bei der maximalen Belastung von 10 mN, die von der 3 mm langen Kugelspitze ausgeübt wird, sinkt das Hydrogel in 70 Sekunden um ~42 μm durch Kriechen ab.

mechanical testing of hydrogels

ABBILDUNG 2: Kriechen bei einer maximalen Belastung von 10 mN für 70 Sekunden.

hydrogel durability testing

ABBILDUNG 3: Das Diagramm von Belastung und Verdrängung des Hydrogels.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir gezeigt, dass die NANOVEA Der Mechanik-Tester im Nanoindentationsmodus ermöglicht eine präzise und wiederholbare Messung der mechanischen Eigenschaften eines Hydrogels, einschließlich Härte, Elastizitätsmodul und Kriechverhalten. Die große 3 mm-Kugelspitze sorgt für den richtigen Kontakt mit der Hydrogeloberfläche. Der hochpräzise motorisierte Probentisch ermöglicht eine genaue Positionierung der flachen Seite der Hydrogelprobe unter der Kugelspitze. Das Hydrogel in dieser Studie weist eine Härte von 16,9 KPa und einen Elastizitätsmodul von 160,2 KPa auf. Die Kriechtiefe beträgt ~42 μm bei einer Belastung von 10 mN für 70 Sekunden.

NANOVEA Mechanische Prüfgeräte bieten unübertroffene Multifunktions-Nano- und -Mikro-Module auf einer einzigen Plattform. Beide Module umfassen einen Kratzertester, einen Härtetester und einen Verschleißtestermodus und bieten damit das breiteste und benutzerfreundlichste Spektrum an Tests, das auf einer einzigen Plattform verfügbar ist.
System.

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Kolbenverschleißprüfung

PISTON WEAR TESTINGMIT NANOVEA TRIBOMETER

Piston wear testing using NANOVEA tribometer under lubricated conditions.

Vorbereitet von

FRANK LIU

What Is Piston Wear Testing?

Piston wear testing evaluates the friction, lubrication, and material durability between piston skirts and cylinder liners under controlled laboratory conditions. Using a Tribometer, engineers can replicate real reciprocating motion and precisely measure the coefficient of friction, wear rate, and 3D surface topography. These results provide key insights into the tribological behavior of coatings, lubricants, and alloys used in engine pistons, helping optimize performance, fuel efficiency, and long-term reliability.

schematic showing piston skirt and cylinder liner lubrication interface during wear testing

 Schematische Darstellung des Antriebszylindersystems und der Schnittstellen Kolbenschaft-Schmiermittel-Zylinderlaufbuchse.

💡 Want to quantify wear rate and friction of your own samples? Request a custom tribology test tailored to your application.

Why Piston Wear Testing Matters in Engine Development

Motoröl ist ein Schmiermittel, das speziell für seine Anwendung entwickelt wurde. Zusätzlich zum Grundöl werden Additive wie Reinigungsmittel, Dispergiermittel, Viskositätsverbesserer (VI), Verschleißschutz-/Friktionsschutzmittel und Korrosionsinhibitoren zugesetzt, um die Leistung des Öls zu verbessern. Diese Additive wirken sich darauf aus, wie sich das Öl unter verschiedenen Betriebsbedingungen verhält. Das Verhalten des Öls wirkt sich auf die P-L-C-Grenzflächen aus und bestimmt, ob erheblicher Verschleiß durch Metall-Metall-Kontakt oder hydrodynamische Schmierung (sehr geringer Verschleiß) auftritt.

Es ist schwierig, die P-L-C-Schnittstellen zu verstehen, ohne den Bereich von externen Variablen zu isolieren. Es ist praktischer, das Ereignis unter Bedingungen zu simulieren, die für die reale Anwendung repräsentativ sind. Die Website NANOVEA Tribometer ist dafür ideal geeignet. Ausgestattet mit mehreren Kraftsensoren, einem Tiefensensor, einem Drop-by-Drop-Schmierstoffmodul und einem linearen Wechseltisch, ist das NANOVEA T2000 is able to closely mimic events occurring within an engine block and obtain valuable data to better understand the P-L-C interfaces.

nanovea tribometer kolbenverschleiß- und reibungstestmodulaufbau

Flüssigkeitsmodul auf dem Tribometer NANOVEA T2000

Das Drop-by-Drop-Modul ist für diese Studie von entscheidender Bedeutung. Da sich Kolben sehr schnell bewegen können (über 3000 U/min), ist es schwierig, durch Eintauchen der Probe einen dünnen Schmierstofffilm zu erzeugen. Um dieses Problem zu beheben, ist das Drop-by-Drop-Modul in der Lage, eine konstante Menge an Schmiermittel auf die Oberfläche des Kolbenschafts aufzutragen.

Die Verwendung von frischem Schmierstoff beseitigt auch die Gefahr, dass gelöste Verschleißverunreinigungen die Eigenschaften des Schmierstoffs beeinträchtigen.

How Tribometers Simulate
Real Piston–Liner Wear

The piston skirt-lubricant-cylinder liner interfaces will be studied in this report. The interfaces will be replicated by conducting a linear reciprocating wear test with drop-by-drop lubricant module.

Der Schmierstoff wird bei Raumtemperatur und unter erwärmten Bedingungen aufgetragen, um Kaltstart- und optimale Betriebsbedingungen zu vergleichen. Die COF und die Verschleißrate werden beobachtet, um besser zu verstehen, wie sich die Schnittstellen in realen Anwendungen verhalten.

NANOVEA T2000
Tribometer für hohe Belastungen

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NANOVEA T2000 Pneumatisches Tribometer für hohe Belastungen

Piston Wear Test Parameters & Setup

LOAD ............................ 100 N

TESTDAUER ............................ 30 min

SPEED ............................ 2000 Umdrehungen pro Minute

AMPLITUDE ............................ 10 mm

GESAMTE ENTFERNUNG ............................ 1200 m

SKIRT-BESCHICHTUNG ............................ Molybdän-Graphit

PIN-MATERIAL ............................ Aluminiumlegierung 5052

PIN-DIAMETER ............................ 10 mm

SCHMIERMITTEL ............................ Motoröl (10W-30)

ANSCHLUSS. DURCHFLUSSRATE ............................ 60 mL/min

TEMPERATUR ............................ Raumtemperatur & 90°C

Real-World Relevance of
Kolbenverschleißprüfung

Tribometer-based piston wear testing provides critical insight into how material choices and lubrication strategies affect real engine reliability. Instead of relying on costly full-engine tests, laboratories can evaluate coatings, oils, and alloy surfaces under realistic mechanical load and temperature conditions. NANOVEA’s 3D profilometry and tribology modules allow precise mapping of wear depth and friction stability, helping R&D teams optimize performance and reduce development cycles.

Piston Wear Test Results & Analysis

piston wear scar comparison from tribometer lubricated wear test

In this experiment, A5052 was used as the counter material. While engine blocks are usually made of cast aluminum such as A356, A5052 have mechanical properties similar to A356 for this simulative testing [1].

Under the testing conditions, significant wear was observed on the piston skirt at room temperature compared to at 90°C. The deep scratches seen on the samples suggest that contact between the static material and the piston skirt occurs frequently throughout the test. The high viscosity at room temperature may be restricting the oil from completely filling gaps at the interfaces and creating metal-metal contact. At higher temperature, the oil thins and is able to flow between the pin and the piston. As a result, significantly less wear is observed at higher temperature. FIGURE 5 shows one side of the wear scar wore significantly less than the other side. This is most likely due to the location of the oil output. The lubricant film thickness was thicker on one side than the other, causing uneven wearing.

[1] “5052 Aluminum vs 356.0 Aluminum.” MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum

Der COF von linearen Tribologietests mit Hin- und Herbewegung kann in einen hohen und einen niedrigen Durchgang unterteilt werden. Der hohe Durchlauf bezieht sich auf die Bewegung der Probe in Vorwärts- oder positiver Richtung und der niedrige Durchlauf auf die Bewegung der Probe in Rückwärts- oder negativer Richtung. Der durchschnittliche COF für das RT-Öl lag in beiden Richtungen unter 0,1. Der durchschnittliche COF zwischen den Durchgängen betrug 0,072 und 0,080. Der durchschnittliche COF des 90°C-Öls wurde zwischen den Durchgängen unterschiedlich festgestellt. Es wurden durchschnittliche COF-Werte von 0,167 und 0,09 festgestellt. Der Unterschied im COF ist ein weiterer Beweis dafür, dass das Öl nur eine Seite des Stifts richtig benetzen konnte. Ein hoher COF-Wert wurde erreicht, wenn sich aufgrund der hydrodynamischen Schmierung ein dicker Film zwischen dem Bolzen und dem Kolbenschaft bildete. Ein niedrigerer COF wird in der anderen Richtung beobachtet, wenn eine Mischschmierung auftritt. Weitere Informationen über hydrodynamische Schmierung und Mischschmierung finden Sie in unserem Anwendungshinweis auf Stribeck-Kurven.
coefficient of friction and wear rate results from lubricated piston wear test

Tabelle 1: Ergebnisse der geschmierten Verschleißprüfung an Kolben.

friction coefficient graphs for piston wear test at room temperature showing raw high and low pass profiles

ABBILDUNG 1: COF-Diagramme für den Ölverschleißtest bei Raumtemperatur A Rohprofil B Hochpass C Tiefpass.

friction coefficient graphs for piston wear test at 90 degrees Celsius showing raw high and low pass profiles

ABBILDUNG 2: COF-Diagramme für den 90°C-Verschleißöltest A Rohprofil B Hochpass C Tiefpass.

optical microscope image of piston wear scar from room temperature motor oil wear test

ABBILDUNG 3: Optisches Bild der Verschleißnarbe aus dem RT-Motorölverschleißtest.

piston surface showing localized wear scar highlighted for tribological analysis
volume and depth analysis of piston wear scar from tribometer test

ABBILDUNG 4: Volumen einer Lochanalyse der Verschleißnarbe aus dem RT-Motorölverschleißtest.

3d surface profilometry scan of piston wear scar showing wear depth and roughness

ABBILDUNG 5: Profilometrischer Scan der Verschleißnarbe aus dem RT-Motorölverschleißtest.

optical microscope image of piston wear scar from 90 degree motor oil wear test

ABBILDUNG 6: Optisches Bild einer Verschleißnarbe aus einem 90°C-Motorölverschleißtest

piston skirt showing wear zone analyzed during tribometer piston wear testing
volume and depth measurement of piston wear scar from 90 degree motor oil tribometer test

ABBILDUNG 7: Volumen einer Lochanalyse der Verschleißnarbe aus dem 90°C-Motorölverschleißtest.

3d surface profilometry scan of piston wear scar from 90 degree motor oil wear test showing wear depth and texture

ABBILDUNG 8: Profilometrischer Scan der Verschleißnarbe aus dem 90°C-Motorölverschleißtest.

Conclusion: Engine Wear Evaluation with NANOVEA Tribometers

Lubricated linear reciprocating wear testing was conducted on a piston to simulate events occurring in a real-life operational engine. The piston skirt-lubricant-cylinder liner interfaces is crucial to the operations of an engine. The lubricant thickness at the interface is responsible for energy loss due to friction or wear between the piston skirt and cylinder liner. To optimize the engine, the film thickness must be as thin as possible without allowing the piston skirt and cylinder liner to touch. The challenge, however, is how changes in temperature, speed, and force will affect the P-L-C interfaces.

With its wide range of loading (up to 2000 N) and speed (up to 15000 rpm), the NANOVEA T2000 tribometer is able to simulate different conditions possible in an engine. Possible future studies on this topic include how the P-L-C interfaces will behave under different constant load, oscillated load, lubricant temperature, speed, and lubricant application method. These parameters can be easily adjusted with the NANOVEA T2000 tribometer to give a complete understanding on the mechanisms of the piston skirt-lubricant-cylinder liner interfaces

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