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Archivos mensuales: septiembre 2021

Propiedades mecánicas del hidrogel

PROPIEDADES MECÁNICAS DEL HIDROGEL

UTILIZANDO LA NANOINDENTACIÓN

Preparado por

DUANJIE LI, PhD & JORGE RAMIREZ

INTRODUCCIÓN

El hidrogel es conocido por su gran capacidad de absorción de agua, lo que le confiere una flexibilidad muy similar a la de los tejidos naturales. Este parecido ha hecho que el hidrogel sea una opción habitual no sólo en los biomateriales, sino también en la electrónica, el medio ambiente y las aplicaciones de bienes de consumo, como las lentes de contacto. Cada aplicación única requiere propiedades mecánicas específicas del hidrogel.

IMPORTANCIA DE LA NANOINDENTACIÓN PARA EL HIDROGEL

Los hidrogeles crean desafíos únicos para la nanoindentación, como la selección de los parámetros de prueba y la preparación de la muestra. Muchos sistemas de nanoindentación tienen grandes limitaciones ya que no fueron diseñados originalmente para materiales tan blandos. Algunos de los sistemas de nanoindentación utilizan un conjunto de bobina/imán para aplicar la fuerza sobre la muestra. No se mide la fuerza real, lo que da lugar a una carga inexacta y no lineal cuando se prueban materiales blandos. materiales. Determinar el punto de contacto es extremadamente difícil ya que el La profundidad es el único parámetro que se mide realmente. Es casi imposible observar el cambio de pendiente en el Profundidad en función del tiempo parcela durante el cuando la punta del indentador se acerca al material de hidrogel.

Para superar las limitaciones de estos sistemas, el nano módulo del NANOVEA Probador Mecánico Mide la retroalimentación de fuerza con una celda de carga individual para garantizar una alta precisión en todo tipo de materiales, blandos o duros. El desplazamiento controlado piezoeléctricamente es extremadamente preciso y rápido. Esto permite una medición incomparable de las propiedades viscoelásticas al eliminar muchas suposiciones teóricas que deben tener en cuenta los sistemas con un conjunto de bobina/imán y sin retroalimentación de fuerza.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, el NANOVEA El probador mecánico, en modo de nanoindentación, se utiliza para estudiar la dureza, el módulo elástico y la fluencia de una muestra de hidrogel.

NANOVEA

PB1000

nanoindentador y rayador Nanovea PB1000
CONDICIONES DE PRUEBA

Una muestra de hidrogel colocada en un portaobjetos de vidrio se probó mediante la técnica de nanoindentación utilizando un NANOVEA Probador mecánico. Para este material blando se utilizó una punta esférica de 3 mm de diámetro. La carga aumentó linealmente de 0,06 a 10 mN durante el periodo de carga. La fluencia se midió entonces por el cambio de la profundidad de indentación a la carga máxima de 10 mN durante 70 segundos.

VELOCIDAD DE APROXIMACIÓN: 100 μm/min

CARGA DE CONTACTO
0,06 mN
CARGA MÁXIMA
10 mN
TASA DE CARGA

20 mN/min

CREEP
70 s
RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La evolución de la carga y la profundidad en función del tiempo se muestra en FUGURA 1. Se puede observar que en el gráfico de la Profundidad en función del tiempoEn este caso, es muy difícil determinar el punto de cambio de pendiente al principio del período de carga, que suele servir de indicación del lugar en el que el indentador empieza a entrar en contacto con el material blando. Sin embargo, el gráfico de la Carga vs. Tiempo muestra el peculiar comportamiento del hidrogel bajo una carga aplicada. Cuando el hidrogel empieza a entrar en contacto con el indentador de bola, el hidrogel tira del indentador de bola debido a su tensión superficial, lo que tiende a disminuir la superficie. Este comportamiento conduce a la carga negativa medida al principio de la etapa de carga. La carga aumenta progresivamente a medida que el indentador se hunde en el hidrogel, y luego se controla para que sea constante en la carga máxima de 10 mN durante 70 segundos para estudiar el comportamiento de fluencia del hidrogel.

FIGURA 1: Evolución de la carga y la profundidad en función del tiempo.

La trama del Profundidad de fluencia en función del tiempo se muestra en FIGURA 2y el Carga vs. Desplazamiento de la prueba de nanoindentación se muestra en FIGURA 3. El hidrogel de este estudio posee una dureza de 16,9 KPa y un módulo de Young de 160,2 KPa, calculados a partir de la curva de desplazamiento de carga mediante el método de Oliver-Pharr.

La fluencia es un factor importante para el estudio de las propiedades mecánicas de los hidrogeles. El control de retroalimentación en bucle cerrado entre el piezoeléctrico y la célula de carga ultrasensible garantiza una verdadera carga constante durante el tiempo de fluencia en la carga máxima. Como se muestra en FIGURA 2El hidrogel se hunde ~42 μm como resultado de la fluencia en 70 segundos bajo la carga máxima de 10 mN aplicada por la punta de bola de 3 mm.

FIGURA 2: Arrastre a una carga máxima de 10 mN durante 70 segundos.

FIGURA 3: Gráfico de carga vs. desplazamiento del hidrogel.

CONCLUSIÓN

En este estudio, mostramos que el NANOVEA El probador mecánico, en modo de nanoindentación, proporciona una medición precisa y repetible de las propiedades mecánicas de un hidrogel, incluyendo la dureza, el módulo de Young y la fluencia. La gran punta esférica de 3 mm garantiza un contacto adecuado con la superficie del hidrogel. La etapa de muestra motorizada de alta precisión permite el posicionamiento exacto de la cara plana de la muestra de hidrogel bajo la punta de bola. El hidrogel de este estudio presenta una dureza de 16,9 KPa y un módulo de Young de 160,2 KPa. La profundidad de fluencia es de ~42 μm bajo una carga de 10 mN durante 70 segundos.

NANOVEA Los comprobadores mecánicos ofrecen módulos Nano y Micro sin igual en una sola plataforma. Ambos módulos incluyen un comprobador de arañazos, un comprobador de dureza y un modo de comprobación de desgaste, ofreciendo la gama de pruebas más amplia y fácil de usar disponible en una sola
sistema.

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Pruebas de desgaste del pistón

Pruebas de desgaste del pistón

Uso de un tribómetro

Preparado por

FRANK LIU

INTRODUCCIÓN

Las pérdidas por fricción representan aproximadamente 10% de la energía total del combustible para un motor diesel[1]. 40-55% de la pérdida por fricción proviene del sistema de cilindros de potencia. La pérdida de energía por fricción puede disminuirse con una mejor comprensión de las interacciones tribológicas que se producen en el sistema de cilindros de potencia.

Una parte importante de las pérdidas por fricción en el sistema de cilindros de potencia proviene del contacto entre la falda del pistón y la camisa del cilindro. La interacción entre la falda del pistón, el lubricante y las interfaces del cilindro es bastante compleja debido a los constantes cambios de fuerza, temperatura y velocidad en un motor de la vida real. La optimización de cada factor es clave para obtener un rendimiento óptimo del motor. Este estudio se centrará en reproducir los mecanismos que causan las fuerzas de fricción y el desgaste en las interfaces falda del pistón-lubricante-carcasa del cilindro (P-L-C).

 Esquema del sistema de cilindros de potencia y de las interfaces entre la falda del pistón y la camisa del cilindro.

[1] Bai, Dongfang. Modelización de la lubricación de la falda del pistón en motores de combustión interna. Diss. MIT, 2012

IMPORTANCIA DE LA COMPROBACIÓN DE LOS PISTONES CON TRIBÓMETROS

El aceite de motor es un lubricante bien diseñado para su aplicación. Además del aceite base, se añaden aditivos como detergentes, dispersantes, mejoradores de la viscosidad (VI), agentes antidesgaste/antifricción e inhibidores de la corrosión para mejorar su rendimiento. Estos aditivos afectan al comportamiento del aceite en diferentes condiciones de funcionamiento. El comportamiento del aceite afecta a las interfaces P-L-C y determina si se produce un desgaste significativo por contacto metal-metal o si se produce una lubricación hidrodinámica (muy poco desgaste).

Es difícil entender las interfaces P-L-C sin aislar la zona de las variables externas. Es más práctico simular el evento con condiciones representativas de su aplicación en la vida real. La página web NANOVEA Tribómetro es ideal para esto. Equipado con múltiples sensores de fuerza, un sensor de profundidad, un módulo de lubricante gota a gota y una etapa alternativa lineal, el NANOVEA El T2000 es capaz de imitar de cerca los eventos que ocurren dentro de un bloque de motor y obtener datos valiosos para entender mejor las interfaces P-L-C.

Módulo de líquidos en el tribómetro NANOVEA T2000

El módulo gota a gota es crucial para este estudio. Dado que los pistones pueden moverse a una velocidad muy rápida (por encima de las 3.000 rpm), es difícil crear una fina película de lubricante sumergiendo la muestra. Para remediar este problema, el módulo gota a gota es capaz de aplicar una cantidad constante de lubricante en la superficie de la falda del pistón.

La aplicación de lubricante fresco también elimina la preocupación de que los contaminantes de desgaste desalojados influyan en las propiedades del lubricante.

Tribómetro Neumático de Alta Carga

NANOVEA T2000

Tribómetro de alta carga

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este informe se estudiarán las interfaces falda del pistón-lubricante-guarnición del cilindro. Las interfaces se reproducirán mediante la realización de una prueba de desgaste alternativo lineal con módulo de lubricante gota a gota.

El lubricante se aplicará a temperatura ambiente y en condiciones de calentamiento para comparar el arranque en frío y las condiciones óptimas de funcionamiento. Se observará el COF y la tasa de desgaste para comprender mejor el comportamiento de las interfaces en aplicaciones reales.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA

para las pruebas tribológicas de los pistones

CARGA ............................ 100 N

DURACIÓN DE LA PRUEBA ............................ 30 minutos

VELOCIDAD ............................ 2000 rpm

AMPLITUD ............................ 10 mm

DISTANCIA TOTAL ............................ 1200 m

REVESTIMIENTO DE LA FALDA ............................ Moly-grafito

MATERIAL DE LOS PINES ............................ Aleación de aluminio 5052

DIÁMETRO DEL PIN ............................ 10 mm

LUBRICANTE ............................ Aceite de motor (10W-30)

APROX. CAUDAL ............................ 60 mL/min

TEMPERATURA ............................ Temperatura ambiente y 90°C

RESULTADOS DE LA PRUEBA DE RECIPROCIDAD LINEAL

En este experimento, se utilizó el A5052 como contramaterial. Aunque los bloques de motor suelen estar hechos de aluminio fundido, como el A356, el A5052 tiene propiedades mecánicas similares al A356 para este ensayo de simulación [2].

En las condiciones de prueba, se produjo un desgaste significativo
observado en la falda del pistón a temperatura ambiente
en comparación con los 90°C. Los profundos arañazos observados en las muestras sugieren que el contacto entre el material estático y la falda del pistón se produce con frecuencia a lo largo de la prueba. La alta viscosidad a temperatura ambiente puede impedir que el aceite llene completamente los huecos en las interfaces y cree un contacto metal-metal. A mayor temperatura, el aceite se diluye y puede fluir entre el bulón y el pistón. Como resultado, se observa un desgaste significativamente menor a mayor temperatura. La FIGURA 5 muestra que un lado de la cicatriz de desgaste se desgastó mucho menos que el otro. Esto se debe probablemente a la ubicación de la salida de aceite. El espesor de la película de lubricante era más grueso en un lado que en el otro, lo que provocó un desgaste desigual.

 

 

[2] "Aluminio 5052 frente a aluminio 356.0". MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum

El COF de las pruebas tribológicas lineales alternativas puede dividirse en un paso alto y un paso bajo. El paso alto se refiere a la muestra que se mueve en la dirección de avance, o positiva, y el paso bajo se refiere a la muestra que se mueve en la dirección inversa, o negativa. Se observó que el COF medio del aceite RT era inferior a 0,1 en ambas direcciones. El COF medio entre pasadas fue de 0,072 y 0,080. Se observó que el COF medio del aceite a 90°C era diferente entre pasadas. Se observaron valores medios de COF de 0,167 y 0,09. La diferencia en el COF es una prueba adicional de que el aceite sólo pudo mojar adecuadamente un lado del pasador. Se obtuvo un COF elevado cuando se formó una película gruesa entre el bulón y la falda del pistón debido a que se produjo una lubricación hidrodinámica. Se observa un COF más bajo en la otra dirección cuando se produce una lubricación mixta. Para obtener más información sobre la lubricación hidrodinámica y la lubricación mixta, visite nuestra nota de aplicación en Curvas Stribeck.

Tabla 1: Resultados de la prueba de desgaste lubricado de los pistones.

FIGURA 1: Gráficos COF para la prueba de desgaste del aceite a temperatura ambiente A perfil bruto B paso alto C paso bajo.

FIGURA 2: Gráficos COF para la prueba de aceite de desgaste a 90°C A perfil bruto B paso alto C paso bajo.

FIGURA 3: Imagen óptica de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor RT.

FIGURA 4: Volumen de un análisis de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor RT.

FIGURA 5: Perfilometría de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor RT.

FIGURA 6: Imagen óptica de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor a 90°C

FIGURA 7: Volumen de un análisis de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor a 90°C.

FIGURA 8: Perfilometría de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor a 90°C.

CONCLUSIÓN

Se han realizado pruebas de desgaste lineal lubricado en un pistón para simular lo que ocurre en un
motor operativo en la vida real. La interfaz entre la falda del pistón, el lubricante y la camisa del cilindro es crucial para el funcionamiento de un motor. El espesor del lubricante en la interfaz es responsable de la pérdida de energía debida a la fricción o al desgaste entre la falda del pistón y la camisa. Para optimizar el motor, el espesor de la película debe ser lo más fino posible sin que la falda del pistón y la camisa se toquen. El reto, sin embargo, es cómo los cambios de temperatura, velocidad y fuerza afectarán a las interfaces P-L-C.

Con su amplia gama de carga (hasta 2000 N) y velocidad (hasta 15000 rpm), el tribómetro NANOVEA T2000 es capaz de simular diferentes condiciones posibles en un motor. Los posibles estudios futuros sobre este tema incluyen cómo se comportarán las interfaces P-L-C bajo diferentes cargas constantes, cargas oscilantes, temperatura del lubricante, velocidad y método de aplicación del lubricante. Estos parámetros pueden ajustarse fácilmente con el tribómetro NANOVEA T2000 para obtener una comprensión completa de los mecanismos de las interfaces falda del pistón-lubricante-guarnición del cilindro.

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