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AR Archivos mensuales: abril 2020
Análisis de materiales compuestos mediante perfilometría 3D
Importancia de la perfilometría sin contacto para materiales compuestos
Es crucial minimizar los defectos para que los materiales compuestos sean lo más resistentes posible en aplicaciones de refuerzo. Al tratarse de un material anisótropo, es fundamental que la dirección de la trama sea coherente para mantener la previsibilidad de un alto rendimiento. Los materiales compuestos tienen una de las mayores relaciones resistencia/peso, por lo que en algunos casos son más resistentes que el acero. Es importante limitar la superficie expuesta en los materiales compuestos para minimizar la vulnerabilidad química y los efectos de la expansión térmica. La inspección de superficies por perfilometría es fundamental para controlar la calidad de la producción de materiales compuestos a fin de garantizar un rendimiento sólido durante un largo periodo de servicio.
Nanovea Perfilómetro 3D sin contacto es diferente de otras técnicas de medición de superficies, como las sondas de contacto o la interferometría. Nuestros perfilómetros utilizan el cromatismo axial para medir casi cualquier superficie y la puesta en escena abierta permite muestras de cualquier tamaño sin necesidad de preparación. Durante la medición del perfil de superficie se obtienen mediciones desde nanométricas hasta macrométricas sin influencia alguna de la reflectividad o absorción de la muestra. Nuestros perfilómetros miden fácilmente cualquier material: transparente, opaco, especular, difusivo, pulido y rugoso, con la capacidad avanzada de medir ángulos de superficie elevados sin manipulación de software. La técnica del perfilómetro sin contacto proporciona la capacidad ideal y fácil de usar para maximizar los estudios de superficie de materiales compuestos; junto con las ventajas de la capacidad combinada 2D y 3D.
Objetivo de medición
El perfilómetro Nanovea HS2000L utilizado en esta aplicación midió la superficie de dos tramas de compuestos de fibra de carbono. La rugosidad de la superficie, la longitud de la trama, la isotropía, el análisis fractal y otros parámetros de la superficie se utilizan para caracterizar los compuestos. El área medida se seleccionó aleatoriamente y se asumió que era lo suficientemente grande como para poder comparar los valores de las propiedades mediante el potente software de análisis de superficies de Nanovea.
Resultados y debate
Análisis de superficies
Los parámetros de altura determinan el grado de rugosidad de las piezas de material compuesto con una baja relación fibra/matriz. Nuestros resultados comparan diferentes tipos de tejido y tela para determinar el acabado superficial tras el procesamiento. El acabado superficial resulta crítico en aplicaciones en las que puede intervenir la aerodinámica.
Isotropía
La isotropía muestra la direccionalidad del tejido para determinar los valores esperados de las propiedades. Nuestro estudio muestra cómo el compuesto bidireccional es ~60% isotrópico como se esperaba. Mientras tanto, el composite unidireccional es ~13% isotrópico debido a la fuerte dirección de la trayectoria de una sola fibra.
Análisis de tejidos
El tamaño de la trama determina la consistencia del empaquetado y la anchura de las fibras utilizadas en el compuesto. Nuestro estudio demuestra lo fácil que es medir el tamaño de la trama con una precisión de micras para garantizar la calidad de las piezas.
Análisis de texturas
El análisis de la textura de la longitud de onda dominante sugiere que el tamaño del filamento de ambos compuestos es de 4,27 micras de grosor. El análisis de la dimensión fractal de la superficie de la fibra determina la suavidad para averiguar con qué facilidad se fijarán las fibras en una matriz. La dimensión fractal de la fibra unidireccional es mayor que la de la fibra bidireccional, lo que puede afectar al procesamiento de los compuestos.
Conclusión
En esta aplicación, hemos demostrado que el perfilómetro sin contacto Nanovea HS2000L caracteriza con precisión la superficie fibrosa de los materiales compuestos. Distinguimos diferencias entre tipos de tejido de fibra de carbono con parámetros de altura, isotropía, análisis de textura y mediciones de distancia junto con mucho más.
Las mediciones de superficie de nuestros perfilómetros mitigan con precisión y rapidez los daños en los materiales compuestos, lo que disminuye los defectos en las piezas y maximiza la capacidad de los materiales compuestos. La velocidad del perfilómetro 3D de Nanovea oscila entre <1 mm/s y 500 mm/s, por lo que es adecuado tanto para aplicaciones de investigación como para las necesidades de inspección a alta velocidad. El perfilómetro Nanovea es la solución
a cualquier necesidad de medición compuesta.
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Evaluación de la dureza de tejidos biológicos mediante nanoindentación
Importancia de la nanoindentación de tejidos biológicos
Los ensayos mecánicos tradicionales (dureza, adherencia, compresión, punción, límite elástico, etc.) requieren una mayor precisión y fiabilidad en los entornos actuales de control de calidad con una amplia gama de materiales avanzados, desde tejidos hasta materiales quebradizos. La instrumentación mecánica tradicional no proporciona el control de carga sensible y la resolución que requieren los materiales avanzados. Los retos asociados a los biomateriales exigen el desarrollo de ensayos mecánicos capaces de controlar con precisión la carga en materiales extremadamente blandos. Estos materiales requieren cargas de ensayo muy bajas por debajo de mN con un amplio rango de profundidad para garantizar una medición adecuada de las propiedades. Además, se pueden realizar muchos tipos de ensayos mecánicos diferentes en un único sistema, lo que permite una mayor funcionalidad. Esto permite realizar una serie de mediciones importantes en biomateriales, como la dureza, el módulo elástico, el módulo de pérdida y almacenamiento y la fluencia, además de la resistencia al rayado y los puntos de fallo de límite elástico.
Objetivo de medición
En esta aplicación se utiliza el probador mecánico de Nanovea en modo de nanoindentación para estudiar la dureza y el módulo elástico de 3 áreas separadas de un sustituto biomaterial en regiones de grasa, carne clara y carne oscura de prosciutto.
La nanoindentación se basa en las normas de indentación instrumentada ASTM E2546 e ISO 14577. Utiliza métodos establecidos en los que una punta de indentación de geometría conocida se introduce en un lugar específico del material de ensayo con una carga normal creciente controlada. Cuando se alcanza una profundidad máxima preestablecida, la carga normal se reduce hasta que se produce una relajación completa. La carga se aplica mediante un actuador piezoeléctrico y se mide en un bucle controlado con una célula de carga de alta sensibilidad. Durante los experimentos, la posición del penetrador respecto a la superficie de la muestra se controla con un sensor capacitivo de alta precisión. Las curvas de carga y desplazamiento resultantes proporcionan datos específicos de la naturaleza mecánica del material ensayado. Los modelos establecidos calculan valores cuantitativos de dureza y módulo con los datos medidos. La nanoindentación es adecuada para mediciones de baja carga y profundidad de penetración a escalas nanométricas.
Resultados y debate
Estas tablas presentan los valores medidos de dureza y módulo de Young con medias y desviaciones estándar. Una alta rugosidad superficial puede causar grandes variaciones en los resultados debido al pequeño tamaño de la indentación.
La zona de grasa tenía aproximadamente la mitad de dureza que las zonas de carne. El tratamiento de la carne hizo que la zona de carne más oscura fuera más dura que la zona de carne clara. El módulo elástico y la dureza están en relación directa con la sensación en boca de masticabilidad de las zonas de grasa y carne. La grasa y la zona de carne clara presentan una fluencia continua superior a la de la carne oscura después de 60 segundos.
Resultados detallados - Grasa
Resultados detallados - Carne ligera
Resultados detallados - Carne oscura
Conclusión
En esta aplicación, Nanovea comprobador mecánico en modo de nanoindentación determinó con fiabilidad las propiedades mecánicas de las zonas de grasa y carne, superando al mismo tiempo la elevada rugosidad de la superficie de la muestra. Esto demostró la amplia e inigualable capacidad del comprobador mecánico de Nanovea. El sistema proporciona simultáneamente mediciones precisas de propiedades mecánicas en materiales extremadamente duros y tejidos biológicos blandos.
La célula de carga en control de bucle cerrado con la mesa piezoeléctrica garantiza una medición precisa de materiales de gel duros o blandos de 1 a 5kPa. Utilizando el mismo sistema, es posible ensayar biomateriales con cargas superiores de hasta 400N. La carga multiciclo puede utilizarse para ensayos de fatiga y puede obtenerse información sobre el límite elástico en cada zona utilizando una punta de diamante cilíndrica plana. Además, con el Análisis Mecánico Dinámico (AMD), las propiedades viscoelásticas de pérdida y los módulos de almacenamiento pueden evaluarse con gran precisión utilizando el control de carga de bucle cerrado. También se pueden realizar ensayos a distintas temperaturas y bajo líquidos con el mismo sistema.
El comprobador mecánico de Nanovea sigue siendo la herramienta superior para aplicaciones biológicas y de polímeros/geles blandos.
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Evaluación del desgaste y el rayado del alambre de cobre tratado superficialmente
Importancia de la evaluación del desgaste y el rayado del alambre de cobre
El cobre tiene una larga historia de uso en el cableado eléctrico desde la invención del electroimán y el telégrafo. Los hilos de cobre se utilizan en una amplia gama de equipos electrónicos, como paneles, contadores, ordenadores, máquinas comerciales y electrodomésticos, gracias a su resistencia a la corrosión, su soldabilidad y su rendimiento a temperaturas elevadas de hasta 150°C. Aproximadamente la mitad del cobre extraído se destina a la fabricación de alambres y cables eléctricos.
La calidad de la superficie de los alambres de cobre es fundamental para el rendimiento y la vida útil de las aplicaciones. Los microdefectos en los alambres pueden provocar un desgaste excesivo, el inicio y la propagación de grietas, una disminución de la conductividad y una soldabilidad inadecuada. Un tratamiento adecuado de la superficie de los alambres de cobre elimina los defectos superficiales generados durante el trefilado, mejorando la resistencia a la corrosión, los arañazos y el desgaste. Muchas aplicaciones aeroespaciales con alambres de cobre requieren un comportamiento controlado para evitar fallos inesperados del equipo. Se necesitan mediciones cuantificables y fiables para evaluar adecuadamente la resistencia al desgaste y al rayado de la superficie del alambre de cobre.
Objetivo de medición
En esta aplicación simulamos un proceso de desgaste controlado de diferentes tratamientos superficiales de alambre de cobre. Prueba del rasguño mide la carga necesaria para provocar un fallo en la capa superficial tratada. Este estudio muestra la capacidad de Nanovea Tribómetro y Comprobador mecánico como herramientas ideales para la evaluación y el control de calidad de los cables eléctricos.
Procedimiento de ensayo y procedimientos
El coeficiente de fricción (COF) y la resistencia al desgaste de dos tratamientos superficiales diferentes en alambres de cobre (Alambre A y Alambre B) se evaluaron mediante el tribómetro Nanovea utilizando un módulo de desgaste alternativo lineal. Una bola de Al₂O₃ (6 mm de diámetro) es el contramaterial utilizado en esta aplicación. La pista de desgaste se examinó utilizando el tribómetro de Nanovea Perfilómetro 3D sin contacto. Los parámetros de la prueba se resumen en la Tabla 1.
En este estudio se utilizó como ejemplo una bola lisa de Al₂O₃ como contramaterial. Puede aplicarse cualquier material sólido con diferente forma y acabado superficial utilizando una fijación personalizada para simular la situación de aplicación real.
El comprobador mecánico de Nanovea equipado con un palpador de diamante Rockwell C (100 μm de radio) realizó ensayos de rayado de carga progresiva en los hilos recubiertos utilizando el modo de micro rayado. Los parámetros del ensayo de rayado y la geometría de la punta se muestran en la Tabla 2.
Resultados y debate
Desgaste del hilo de cobre:
La figura 2 muestra la evolución del COF de los hilos de cobre durante las pruebas de desgaste. El alambre A muestra un COF estable de ~0,4 durante toda la prueba de desgaste, mientras que el alambre B exhibe un COF de ~0,35 en las primeras 100 revoluciones y aumenta progresivamente hasta ~0,4.
La figura 3 compara las huellas de desgaste de los hilos de cobre tras las pruebas. El perfilómetro 3D sin contacto de Nanovea ofreció un análisis superior de la morfología detallada de las huellas de desgaste. Permite determinar de forma directa y precisa el volumen de la huella de desgaste proporcionando una comprensión fundamental del mecanismo de desgaste. La superficie del alambre B presenta daños significativos en la huella de desgaste tras una prueba de desgaste de 600 revoluciones. La vista en 3D del perfilómetro muestra la capa tratada de la superficie del alambre B completamente eliminada, lo que aceleró sustancialmente el proceso de desgaste. Esto dejó una huella de desgaste aplanada en el alambre B, donde el sustrato de cobre está expuesto. Esto puede acortar considerablemente la vida útil de los equipos eléctricos en los que se utiliza el alambre B. En comparación, el alambre A presenta un desgaste relativamente leve, que se manifiesta por una huella de desgaste poco profunda en la superficie. La capa tratada superficialmente en el alambre A no se eliminó como la capa del alambre B en las mismas condiciones.
Resistencia al rayado de la superficie del hilo de cobre:
La figura 4 muestra las huellas de arañazos en los cables después de la prueba. La capa protectora del cable A muestra una resistencia al rayado muy buena. Se deslamina con una carga de ~12,6 N. En comparación, la capa protectora del alambre B falló con una carga de ~1,0 N. Una diferencia tan significativa en la resistencia al rayado de estos alambres contribuye a su rendimiento frente al desgaste, donde el alambre A posee una resistencia al desgaste sustancialmente mayor. La evolución de la fuerza normal, el COF y la profundidad durante las pruebas de rayado mostradas en la Fig. 5 proporciona más información sobre el fallo del revestimiento durante las pruebas.
Conclusión
En este estudio controlado mostramos el tribómetro de Nanovea, que realiza una evaluación cuantitativa de la resistencia al desgaste de los alambres de cobre tratados superficialmente, y el comprobador mecánico de Nanovea, que proporciona una evaluación fiable de la resistencia al rayado de los alambres de cobre. El tratamiento superficial del alambre desempeña un papel fundamental en las propiedades tribo-mecánicas durante su vida útil. El tratamiento adecuado de la superficie del cable A mejoró significativamente la resistencia al desgaste y a los arañazos, lo que es fundamental para el rendimiento y la vida útil de los cables eléctricos en entornos difíciles.
El tribómetro de Nanovea ofrece pruebas precisas y repetibles de desgaste y fricción mediante modos rotativos y lineales conformes con las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. La incomparable gama de Nanovea es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros.
