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Monatliches Archiv: September 2021

Mechanische Eigenschaften des Hydrogels

MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN DES HYDROGELS

MIT NANOINDENTATION

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

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
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.

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.

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

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

Kolbenverschleißprüfung

Verwendung eines Tribometers

Vorbereitet von

FRANK LIU

EINFÜHRUNG

Der Reibungsverlust macht bei einem Dieselmotor etwa 10% der gesamten Energie im Kraftstoff aus.[1]. 40-55% der Reibungsverluste gehen auf das Konto des Antriebszylindersystems. Der Energieverlust durch Reibung kann durch ein besseres Verständnis der tribologischen Wechselwirkungen im System des Antriebszylinders verringert werden.

Ein erheblicher Teil der Reibungsverluste in einem Triebwerkzylinder stammt aus dem Kontakt zwischen Kolbenschaft und Zylinderlaufbuchse. Die Wechselwirkung zwischen Kolbenschaft, Schmiermittel und Zylindergrenzflächen ist aufgrund der ständigen Veränderungen von Kraft, Temperatur und Geschwindigkeit in einem realen Motor recht komplex. Die Optimierung jedes einzelnen Faktors ist der Schlüssel zum Erreichen einer optimalen Motorleistung. Diese Studie konzentriert sich auf die Nachbildung der Mechanismen, die die Reibungskräfte und den Verschleiß an den Grenzflächen zwischen Kolbenschaft, Schmiermittel und Zylinderlaufbuchse (P-L-C) verursachen.

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

[1] Bai, Dongfang. Modellierung der Kolbenhemdschmierung in Verbrennungsmotoren. Diss. MIT, 2012

BEDEUTUNG DER PRÜFUNG VON KOLBEN MIT TRIBOMETERN

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. Ausgestattet mit mehreren Kraftsensoren, einem Tiefensensor, einem Tropfen-für-Tropfen-Schmierstoffmodul und einem linearen Hubtisch NANOVEA T2000 ist in der Lage, die Vorgänge in einem Motorblock genau nachzubilden und wertvolle Daten zum besseren Verständnis der P-L-C-Schnittstellen zu gewinnen.

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.

Pneumatisches Tribometer für hohe Belastungen

NANOVEA T2000

Tribometer für hohe Belastungen

MESSZIEL

In diesem Bericht werden die Schnittstellen zwischen Kolbenschaft, Schmiermittel und Zylinderlaufbuchse untersucht. Die Schnittstellen werden durch die Durchführung eines linearen Hin- und Herverschleißtests mit einem Drop-by-Drop-Schmierstoffmodul nachgebildet.

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.

PRÜFPARAMETER

für tribologische Prüfungen an Kolben

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

ERGEBNISSE DER LINEAREN HIN- UND HERBEWEGUNGSTESTS

In diesem Versuch wurde A5052 als Gegenmaterial verwendet. Während Motorblöcke normalerweise aus gegossenem Aluminium wie A356 hergestellt werden, hat A5052 für diesen Simulationsversuch ähnliche mechanische Eigenschaften wie A356 [2].

Unter den Testbedingungen wurde ein erheblicher Verschleiß
am Kolbenschaft bei Raumtemperatur beobachtet
im Vergleich zu 90°C. Die tiefen Kratzer auf den Proben deuten darauf hin, dass es während des Tests häufig zu einem Kontakt zwischen dem statischen Material und dem Kolbenschaft kommt. Die hohe Viskosität bei Raumtemperatur kann das Öl daran hindern, die Lücken an den Grenzflächen vollständig zu füllen und einen Metall-Metall-Kontakt herzustellen. Bei höherer Temperatur wird das Öl dünner und kann zwischen Bolzen und Kolben fließen. Infolgedessen wird bei höheren Temperaturen ein deutlich geringerer Verschleiß beobachtet. ABBILDUNG 5 zeigt, dass eine Seite der Verschleißnarbe deutlich weniger abgenutzt ist als die andere Seite. Dies ist höchstwahrscheinlich auf die Lage des Ölaustritts zurückzuführen. Die Dicke des Schmierfilms war auf einer Seite dicker als auf der anderen, was zu ungleichmäßigem Verschleiß führte.

 

 

[2] "5052-Aluminium vs. 356.0-Aluminium". MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminium/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminium

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.

Tabelle 1: Ergebnisse der geschmierten Verschleißprüfung an Kolben.

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

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

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

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

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

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

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

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

SCHLUSSFOLGERUNG

An einem Kolben mit geschmierter linearer Hin- und Herbewegung wurde ein Verschleißtest durchgeführt, um die Vorgänge in einer
Motor im realen Betrieb. Die Schnittstellen zwischen Kolbenschaft, Schmiermittel und Zylinderlaufbuchse sind für den Betrieb eines Motors von entscheidender Bedeutung. Die Schmierstoffdicke an der Schnittstelle ist für den Energieverlust durch Reibung oder Verschleiß zwischen Kolbenschaft und Zylinderlaufbuchse verantwortlich. Um den Motor zu optimieren, muss die Schichtdicke so dünn wie möglich sein, ohne dass sich Kolbenschaft und Zylinderlaufbuchse berühren. Die Herausforderung besteht jedoch darin, wie sich Temperatur-, Geschwindigkeits- und Kraftänderungen auf die P-L-C-Grenzflächen auswirken.

Mit seinem breiten Belastungs- (bis zu 2000 N) und Drehzahlbereich (bis zu 15000 U/min) ist das NANOVEA T2000 Tribometer in der Lage, verschiedene in einem Motor mögliche Bedingungen zu simulieren. Mögliche zukünftige Studien zu diesem Thema beinhalten, wie sich die P-L-C-Grenzflächen unter verschiedenen konstanten Lasten, oszillierenden Lasten, Schmiermitteltemperaturen, Drehzahlen und Schmiermittelauftragsmethoden verhalten. Diese Parameter können mit dem NANOVEA T2000 Tribometer leicht eingestellt werden, um ein vollständiges Verständnis der Mechanismen der Grenzflächen zwischen Kolbenschaft, Schmierstoff und Zylinderlaufbuchse zu erhalten.

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