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AR Archivos mensuales: noviembre 2019
Tribología de polímeros
Introducción
Los polímeros se han utilizado ampliamente en una gran variedad de aplicaciones y se han convertido en una parte indispensable de la vida cotidiana. Los polímeros naturales, como el ámbar, la seda y el caucho natural, han desempeñado un papel esencial en la historia de la humanidad. El proceso de fabricación de los polímeros sintéticos puede optimizarse para conseguir propiedades físicas únicas, como resistencia, viscoelasticidad, autolubricación y muchas otras.
Importancia del desgaste y la fricción de los polímeros
Los polímeros se utilizan habitualmente en aplicaciones tribológicas, como neumáticos, rodamientos y cintas transportadoras.
Se producen diferentes mecanismos de desgaste en función de las propiedades mecánicas del polímero, las condiciones de contacto y las propiedades de los residuos o la película de transferencia que se forma durante el proceso de desgaste. Para garantizar que los polímeros posean una resistencia al desgaste suficiente en las condiciones de servicio, es necesaria una evaluación tribológica fiable y cuantificable. La evaluación tribológica nos permite comparar cuantitativamente los comportamientos de desgaste de diferentes polímeros de forma controlada y supervisada para seleccionar el material candidato para la aplicación deseada.
El tribómetro Nanovea ofrece pruebas repetibles de desgaste y fricción utilizando modos rotativos y lineales que cumplen con las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura y lubricación disponibles en un sistema preintegrado. Esta gama inigualable permite a los usuarios simular los diferentes entornos de trabajo de los polímeros, incluyendo tensión concentrada, desgaste y alta temperatura, etc.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En este estudio, demostramos que Nanovea Tribómetro es una herramienta ideal para comparar la fricción y la resistencia al desgaste de diferentes polímeros de una manera bien controlada y cuantitativa.
PROCEDIMIENTO DE PRUEBA
El coeficiente de fricción (COF) y la resistencia al desgaste de diferentes polímeros comunes se evaluaron mediante el tribómetro Nanovea. Se utilizó una bola de Al2O3 como material de contacto (pasador, muestra estática). Las marcas de desgaste en los polímeros (muestras dinámicas giratorias) se midieron utilizando un perfilómetro 3D sin contacto y un microscopio óptico una vez concluidas las pruebas. Cabe señalar que, como opción, se puede utilizar un sensor endoscópico sin contacto para medir la profundidad a la que el pasador penetra en la muestra dinámica durante una prueba de desgaste. Los parámetros de la prueba se resumen en la tabla 1. La tasa de desgaste, K, se evaluó utilizando la fórmula K=Vl(Fxs), donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal y s es la distancia de deslizamiento.
Tenga en cuenta que en este estudio se utilizaron bolas de Al2O3 como material de contraste. Se puede sustituir por cualquier material sólido para simular con mayor precisión el rendimiento de dos muestras en condiciones de aplicación reales.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La tasa de desgaste es un factor vital para determinar la vida útil de los materiales, mientras que la fricción desempeña un papel fundamental durante las aplicaciones tribológicas. La figura 2 compara la evolución del COF de diferentes polímeros frente a la bola de Al2O3 durante las pruebas de desgaste. El COF sirve como indicador de cuándo se producen fallos y el proceso de desgaste entra en una nueva etapa. Entre los polímeros probados, el HDPE mantiene el COF constante más bajo, de ~0,15, a lo largo de toda la prueba de desgaste. El COF suave implica que se forma un contacto tribológico estable.
Las figuras 3 y 4 comparan las huellas de desgaste de las muestras de polímero después de medir la prueba con el microscopio óptico. El perfilómetro 3D sin contacto in situ determina con precisión el volumen de desgaste de las muestras de polímero, lo que permite calcular con exactitud las tasas de desgaste de 0,0029, 0,0020 y 0,0032 m3/N m, respectivamente. En comparación, la muestra de CPVC muestra la tasa de desgaste más alta, de 0,1121 m3/N m. En la huella de desgaste del CPVC se observan profundas marcas de desgaste paralelas.
CONCLUSIÓN
La resistencia al desgaste de los polímeros desempeña un papel fundamental en su rendimiento. En este estudio, demostramos que el tribómetro Nanovea evalúa el coeficiente de fricción y la tasa de desgaste de diferentes polímeros en un
de manera bien controlada y cuantitativa. El HDPE presenta el COF más bajo, ~0,15, entre los polímeros probados. Las muestras de HDPE, nailon 66 y polipropileno poseen bajos índices de desgaste de 0,0029, 0,0020 y 0,0032 m3/N m, respectivamente. La combinación de baja fricción y gran resistencia al desgaste hace que el HDPE sea un buen candidato para aplicaciones tribológicas de polímeros.
El perfilómetro 3D sin contacto in situ permite medir con precisión el volumen de desgaste y ofrece una herramienta para analizar la morfología detallada de las huellas de desgaste, lo que proporciona una mayor comprensión de los mecanismos fundamentales del desgaste.
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Acabado superficial de paneles alveolares con perfilometría 3D
INTRODUCCIÓN
La rugosidad, la porosidad y la textura de la superficie del panel alveolar son factores críticos que deben cuantificarse para el diseño final del panel. Estas cualidades superficiales pueden correlacionarse directamente con las características estéticas y funcionales de la superficie del panel. Una mejor comprensión de la textura y la porosidad de la superficie puede ayudar a optimizar el procesamiento y la fabricabilidad de la superficie del panel. Se necesita una medición cuantitativa, precisa y confiable de la superficie del panel alveolar para controlar los parámetros superficiales para los requisitos de aplicación y pintura. Los sensores sin contacto Nanovea 3D utilizan una tecnología confocal cromática única capaz de medir con precisión estas superficies de los paneles.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En este estudio, se utilizó la plataforma Nanovea HS2000 equipada con un sensor lineal de alta velocidad para medir y comparar dos paneles alveolares con diferentes acabados superficiales. Presentamos el Nanovea perfilómetro sin contacto’Capacidad para proporcionar mediciones de perfilado 3D rápidas y precisas, así como análisis exhaustivos y detallados del acabado superficial.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se midió la superficie de dos muestras de paneles alveolares con diferentes acabados superficiales, denominadas Muestra 1 y Muestra 2. La falsa color y la vista en 3D de las superficies de las Muestras 1 y 2 se muestran en la Figura 3 y la Figura 4, respectivamente. Los valores de rugosidad y planitud se calcularon mediante un software de análisis avanzado y se comparan en la Tabla 1. La muestra 2 presenta una superficie más porosa en comparación con la muestra 1. Como resultado, la muestra 2 posee una rugosidad Sa más alta, de 14,7 µm, en comparación con el valor Sa de 4,27 µm de la muestra 1.
En la figura 5 se comparan los perfiles 2D de las superficies de los paneles alveolares, lo que permite a los usuarios realizar una comparación visual del cambio de altura en diferentes puntos de la superficie de la muestra. Podemos observar que la muestra 1 presenta una variación de altura de ~25 µm entre el pico más alto y el valle más bajo. Por otro lado, la muestra 2 muestra varios poros profundos en todo el perfil 2D. El software de análisis avanzado tiene la capacidad de localizar y medir automáticamente la profundidad de seis poros relativamente profundos, como se muestra en la tabla de la figura 4.b Muestra 2. El poro más profundo de los seis tiene una profundidad máxima de casi 90 µm (paso 4).
Para investigar más a fondo el tamaño y la distribución de los poros de la muestra 2, se realizó una evaluación de la porosidad, cuyos resultados se analizan en la siguiente sección. La vista en corte se muestra en la figura 5 y los resultados se resumen en la tabla 2. Se puede observar que los poros, marcados en color azul en la figura 5, tienen una distribución relativamente homogénea en la superficie de la muestra. El área proyectada de los poros constituye el 18,91 % de la superficie total de la muestra. El volumen por mm² del total de poros es de ~0,06 mm³. Los poros tienen una profundidad media de 42,2 µm y la profundidad máxima es de 108,1 µm.
CONCLUSIÓN
En esta aplicación, hemos demostrado que la plataforma Nanovea HS2000 equipada con un sensor lineal de alta velocidad es una herramienta ideal para analizar y comparar el acabado superficial de muestras de paneles alveolares de forma rápida y precisa. Los escaneos de perfilometría de alta resolución, junto con un software de análisis avanzado, permiten una evaluación completa y cuantitativa del acabado superficial de las muestras de paneles alveolares.
Los datos que se muestran aquí representan solo una pequeña parte de los cálculos disponibles en el software de análisis. Los perfilómetros Nanovea miden prácticamente cualquier superficie para una amplia gama de aplicaciones en los sectores de semiconductores, microelectrónica, energía solar, fibra óptica, automoción, aeroespacial, metalurgia, mecanizado, recubrimientos, farmacéutico, biomédico, medioambiental y muchos otros.
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Medición de la relajación de tensiones mediante nanoindentación
INTRODUCCIÓN
Los materiales viscoelásticos se caracterizan por tener propiedades tanto viscosas como elásticas. Estos materiales están sujetos a una disminución de la tensión dependiente del tiempo (relajación de la tensión) bajo una deformación constante, lo que conduce a una pérdida significativa de la fuerza de contacto inicial. La relajación de la tensión depende del tipo de material, la textura, la temperatura, la tensión inicial y el tiempo. Comprender la relajación de la tensión es fundamental para seleccionar los materiales óptimos que tengan la resistencia y la flexibilidad (relajación) necesarias para aplicaciones específicas.
Importancia de la medición de la relajación de tensiones
Según la norma ASTM E328i, “Métodos de prueba estándar para la relajación de tensiones en materiales y estructuras”, inicialmente se aplica una fuerza externa sobre un material o estructura con un penetrador hasta que alcanza una fuerza máxima predeterminada. Una vez alcanzada la fuerza máxima, la posición del penetrador se mantiene constante a esta profundidad. A continuación, se mide el cambio en la fuerza externa necesaria para mantener la posición del penetrador en función del tiempo. La dificultad de los ensayos de relajación de tensiones radica en mantener constante la profundidad. El ensayador mecánico Nanovea nanoindentación El módulo mide con precisión la relajación de la tensión aplicando un control de bucle cerrado (retroalimentación) de la profundidad con un actuador piezoeléctrico. El actuador reacciona en tiempo real para mantener la profundidad constante, mientras que el cambio en la carga se mide y registra mediante un sensor de carga de alta sensibilidad. Esta prueba se puede realizar en prácticamente todo tipo de materiales sin necesidad de requisitos estrictos en cuanto a las dimensiones de la muestra. Además, se pueden realizar múltiples pruebas en una sola muestra plana para garantizar la repetibilidad de la prueba.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En esta aplicación, el módulo de nanoindentación del Nanovea Mechanical Tester mide el comportamiento de relajación de la tensión de una muestra de acrílico y cobre. Demostramos que el Nanovea Comprobador mecánico Es una herramienta ideal para evaluar el comportamiento viscoelástico dependiente del tiempo de los materiales poliméricos y metálicos.
CONDICIONES DE ENSAYO
La relajación de la tensión de una muestra de acrílico y otra de cobre se midió con el módulo de nanoindentación del Nanovea Mechanical Tester. Se aplicaron diferentes velocidades de carga de indentación, que oscilaron entre 1 y 10 µm/min. La relajación se midió a una profundidad fija una vez que se alcanzó la carga máxima objetivo. Se implementó un periodo de mantenimiento de 100 segundos a una profundidad fija y se registró el cambio en la carga a medida que transcurría el tiempo de mantenimiento. Todas las pruebas se realizaron en condiciones ambientales (temperatura ambiente de 23 °C) y los parámetros de la prueba de indentación se resumen en la Tabla 1.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Figura 2 muestra la evolución del desplazamiento y la carga en función del tiempo durante la medición de la relajación de la tensión de una muestra acrílica y una velocidad de carga de indentación de 3 µm/min como ejemplo. La totalidad de esta prueba se puede dividir en tres etapas: carga, relajación y descarga. Durante la etapa de carga, la profundidad aumentó linealmente a medida que la carga aumentaba progresivamente. La etapa de relajación se inició una vez que se alcanzó la carga máxima. Durante esta etapa, se mantuvo una profundidad constante durante 100 segundos utilizando la función de control de profundidad de bucle cerrado del instrumento y se observó que la carga disminuyó con el tiempo. La prueba completa concluyó con una etapa de descarga para retirar el indentador de la muestra acrílica.
Se realizaron pruebas de indentación adicionales utilizando las mismas velocidades de carga del indentador, pero excluyendo el periodo de relajación (fluencia). A partir de estas pruebas se obtuvieron gráficos de carga frente a desplazamiento, que se combinaron en los gráficos de la figura 3 para las muestras de acrílico y cobre. A medida que la velocidad de carga del penetrador disminuyó de 10 a 1 µm/min, la curva de carga-desplazamiento se desplazó progresivamente hacia profundidades de penetración más altas tanto para el acrílico como para el cobre. Este aumento de la deformación en función del tiempo se debe al efecto de fluencia viscoelástica de los materiales. Una velocidad de carga más baja permite que un material viscoelástico tenga más tiempo para reaccionar a la tensión externa a la que se ve sometido y deformarse en consecuencia.
La evolución de la carga a una deformación constante utilizando diferentes velocidades de carga de indentación se representa en la figura 4 para ambos materiales probados. La carga disminuyó a un ritmo mayor en las primeras etapas de la fase de relajación (período de mantenimiento de 100 segundos) de las pruebas y se ralentizó una vez que el tiempo de mantenimiento alcanzó los ~50 segundos. Los materiales viscoelásticos, como los polímeros y los metales, presentan una mayor tasa de pérdida de carga cuando se someten a velocidades de carga de indentación más altas. La tasa de pérdida de carga durante la relajación aumentó de 51,5 a 103,2 mN para el acrílico, y de 15,0 a 27,4 mN para el cobre, respectivamente, a medida que la velocidad de carga de indentación aumentaba de 1 a 10 µm/min, como se resume en Figura 5.
Como se menciona en la norma ASTM E328ii, el principal problema que se presenta en los ensayos de relajación de tensiones es la incapacidad del instrumento para mantener una deformación/profundidad constante. El ensayador mecánico Nanovea proporciona mediciones de relajación de tensión excelentes y precisas gracias a su capacidad para aplicar un control de bucle cerrado de retroalimentación de la profundidad entre el actuador piezoeléctrico de acción rápida y el sensor de profundidad del condensador independiente. Durante la fase de relajación, el actuador piezoeléctrico ajusta el indentador para mantener su restricción de profundidad constante en tiempo real, mientras que el cambio en la carga se mide y registra mediante un sensor de carga independiente de alta precisión.
CONCLUSIÓN
Se midió la relajación de la tensión de una muestra de acrílico y otra de cobre utilizando el módulo de nanoindentación del probador mecánico Nanovea a diferentes velocidades de carga. Se alcanza una mayor profundidad máxima cuando las indentaciones se realizan a velocidades de carga más bajas debido al efecto de fluencia del material durante la carga. Tanto la muestra de acrílico como la de cobre muestran un comportamiento de relajación de la tensión cuando se mantiene constante la posición del indentador a una carga máxima objetivo. Se observaron cambios mayores en la pérdida de carga durante la etapa de relajación en las pruebas con velocidades de carga de indentación más altas.
La prueba de relajación de tensiones realizada por el Nanovea Mechanical Tester demuestra la capacidad del instrumento para cuantificar y medir de forma fiable el comportamiento viscoelástico dependiente del tiempo de los materiales poliméricos y metálicos. Cuenta con unos módulos Nano y Micro multifunción sin igual en una única plataforma. Los módulos de control de humedad y temperatura se pueden combinar con estos instrumentos para realizar pruebas ambientales aplicables a una amplia gama de industrias. Tanto el módulo Nano como el Micro incluyen modos de prueba de rayado, dureza y desgaste, lo que proporciona la gama más amplia y fácil de usar de capacidades de prueba mecánica disponible en un solo sistema.
