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AR Archives mensuelles : novembre 2019
Tribologie des polymères
Introduction
Les polymères ont été largement utilisés dans une grande variété d'applications et sont devenus un élément indispensable de la vie quotidienne. Les polymères naturels tels que l'ambre, la soie et le caoutchouc naturel ont joué un rôle essentiel dans l'histoire de l'humanité. Le processus de fabrication des polymères synthétiques peut être optimisé pour obtenir des propriétés physiques uniques telles que la résistance, la viscoélasticité, l'autolubrification et bien d'autres encore.
Importance de l'usure et de la friction des polymères
Les polymères sont couramment utilisés pour des applications tribologiques, comme les pneus, les roulements et les bandes transporteuses.
Différents mécanismes d'usure se produisent en fonction des propriétés mécaniques du polymère, des conditions de contact et des propriétés des débris ou du film de transfert formés au cours du processus d'usure. Pour s'assurer que les polymères possèdent une résistance à l'usure suffisante dans les conditions de service, une évaluation tribologique fiable et quantifiable est nécessaire. L'évaluation tribologique nous permet de comparer quantitativement les comportements d'usure de différents polymères de manière contrôlée et surveillée afin de sélectionner le matériau candidat pour l'application visée.
Le tribomètre Nanovea offre des tests d'usure et de friction répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure et de lubrification à haute température disponibles dans un système pré-intégré. Cette gamme inégalée permet aux utilisateurs de simuler les différents environnements de travail des polymères, y compris les contraintes concentrées, l'usure et les hautes températures, etc.
OBJECTIF DE MESURE
Dans cette étude, nous avons montré que le Nanovea Tribomètre est un outil idéal pour comparer le frottement et la résistance à l’usure de différents polymères de manière bien contrôlée et quantitative.
PROCÉDURE DE TEST
Le coefficient de frottement (COF) et la résistance à l'usure de différents polymères courants ont été évalués par le Tribomètre Nanovea. Une bille d'Al2O3 a été utilisée comme contre-matériau (broche, échantillon statique). Les traces d'usure sur les polymères (échantillons en rotation dynamique) ont été mesurées à l'aide d'un profilomètre 3D sans contact et microscope optique une fois les tests terminés. Il convient de noter qu’un capteur endoscopique sans contact peut être utilisé en option pour mesurer la profondeur de pénétration de la broche dans l’échantillon dynamique lors d’un test d’usure. Les paramètres de test sont résumés dans le tableau 1. Le taux d'usure, K, a été évalué à l'aide de la formule K = Vl (Fxs), où V est le volume usé, F est la charge normale et s est la distance de glissement.
Veuillez noter que des billes d'Al2O3 ont été utilisées comme contre-matériau dans cette étude. Tout matériau solide peut être substitué pour simuler plus fidèlement les performances de deux spécimens dans des conditions d'application réelles.
RÉSULTATS ET DISCUSSION
La vitesse d'usure est un facteur vital pour déterminer la durée de vie des matériaux, tandis que le frottement joue un rôle critique dans les applications tribologiques. La figure 2 compare l'évolution du COF pour différents polymères contre la bille en Al2O3 pendant les tests d'usure. Le COF fonctionne comme un indicateur du moment où les défaillances se produisent et où le processus d'usure entre dans une nouvelle phase. Parmi les polymères testés, le PEHD maintient le COF constant le plus bas de ~0,15 tout au long du test d'usure. Le COF régulier implique qu'un tribo-contact stable est formé.
Les figures 3 et 4 comparent les traces d'usure des échantillons de polymère après leur mesure au microscope optique. Le profilomètre 3D sans contact in situ détermine précisément le volume d'usure des échantillons de polymère, ce qui permet de calculer avec exactitude des taux d'usure de 0,0029, 0,0020 et 0,0032m3/N m, respectivement. En comparaison, l'échantillon de CPVC présente le taux d'usure le plus élevé de 0,1121m3/N m. De profondes cicatrices d'usure parallèles sont présentes dans la trace d'usure du CPVC.
CONCLUSION
La résistance à l'usure des polymères joue un rôle essentiel dans leur performance de service. Dans cette étude, nous avons montré que le tribomètre Nanovea évalue le coefficient de frottement et le taux d'usure de différents polymères dans un environnement de travail.
de manière bien contrôlée et quantitative. Le HDPE montre le COF le plus bas de ~0.15 parmi les polymères testés. Les échantillons de PEHD, de Nylon 66 et de polypropylène possèdent de faibles taux d'usure de 0,0029, 0,0020 et 0,0032 m3/N m, respectivement. La combinaison d'une faible friction et d'une grande résistance à l'usure fait du HDPE un bon candidat pour les applications tribologiques des polymères.
Le profilomètre 3D sans contact in situ permet de mesurer avec précision le volume d'usure et offre un outil pour analyser la morphologie détaillée des traces d'usure, ce qui permet de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux de l'usure.
MAINTENANT, PARLONS DE VOTRE CANDIDATURE
Finition de surface des panneaux en nid d'abeille avec la profilométrie 3D
INTRODUCTION
La rugosité, la porosité et la texture de la surface du panneau en nid d'abeille sont essentielles à quantifier pour la conception finale du panneau. Ces qualités de surface sont en corrélation directe avec les caractéristiques esthétiques et fonctionnelles de la surface du panneau. Une meilleure compréhension de la texture et de la porosité de la surface peut aider à optimiser le traitement et la fabrication de la surface du panneau. Une mesure quantitative, précise et fiable de la surface du panneau en nid d'abeille est nécessaire pour contrôler les paramètres de surface en fonction des exigences d'application et de peinture. Les capteurs Nanovea 3D sans contact utilisent une technologie confocale chromatique unique capable de mesurer précisément la surface de ces panneaux.
OBJECTIF DE MESURE
Dans cette étude, la plateforme Nanovea HS2000 équipée d'un capteur de ligne à grande vitesse a été utilisée pour mesurer et comparer deux panneaux en nid d'abeille avec des finitions de surface différentes. Nous présentons le Nanovea profilomètre sans contactLa capacité de fournit des mesures de profilage 3D rapides et précises et une analyse complète et approfondie de l'état de surface.
RÉSULTATS ET DISCUSSION
La surface de deux échantillons de panneaux en nid d'abeille avec des finitions de surface variées, à savoir l'échantillon 1 et l'échantillon 2, a été mesurée. La fausse couleur et la vue 3D des surfaces des échantillons 1 et 2 sont présentées respectivement sur la Figure 3 et la Figure 4. Les valeurs de rugosité et de planéité ont été calculées par un logiciel d'analyse avancé et sont comparées dans le tableau 1. L'échantillon 2 présente une surface plus poreuse que l'échantillon 1. Par conséquent, l'échantillon 2 possède une rugosité Sa plus élevée de 14,7 µm, par rapport à une valeur Sa de 4,27 µm pour l'échantillon 1.
Les profils 2D des surfaces des panneaux en nid d'abeille ont été comparés dans la Figure 5, permettant aux utilisateurs d'avoir une comparaison visuelle de la variation de hauteur à différents endroits de la surface de l'échantillon. Nous pouvons observer que l'échantillon 1 présente une variation de hauteur de ~25 µm entre le pic le plus élevé et la vallée la plus basse. D'autre part, l'échantillon 2 présente plusieurs pores profonds sur le profil 2D. Le logiciel d'analyse avancée a la capacité de localiser et de mesurer automatiquement la profondeur de six pores relativement profonds, comme le montre le tableau de la figure 4.b de l'échantillon 2. Le pore le plus profond parmi les six possède une profondeur maximale de près de 90 µm (étape 4).
Pour approfondir la taille et la distribution des pores de l'échantillon 2, une évaluation de la porosité a été réalisée et discutée dans la section suivante. La vue en coupe est présentée sur la Figure 5 et les résultats sont résumés dans le Tableau 2. Nous pouvons observer que les pores, marqués en bleu sur la Figure 5, ont une distribution relativement homogène sur la surface de l'échantillon. La surface projetée des pores constitue 18.9% de la surface totale de l'échantillon. Le volume par mm² de l'ensemble des pores est de ~0.06 mm³. Les pores ont une profondeur moyenne de 42,2 µm, et la profondeur maximale est de 108,1 µm.
CONCLUSION
Dans cette application, nous avons montré que la plateforme Nanovea HS2000 équipée d'un capteur linéaire à haute vitesse est un outil idéal pour analyser et comparer la finition de surface des échantillons de panneaux en nid d'abeille de manière rapide et précise. Les scans de profilométrie haute résolution associés à un logiciel d'analyse avancé permettent une évaluation complète et quantitative de la finition de surface des échantillons de panneaux en nid d'abeille.
Les données présentées ici ne représentent qu'une petite partie des calculs disponibles dans le logiciel d'analyse. Les profilomètres Nanovea mesurent pratiquement n'importe quelle surface pour une large gamme d'applications dans les industries des semi-conducteurs, de la microélectronique, du solaire, des fibres optiques, de l'automobile, de l'aérospatiale, de la métallurgie, de l'usinage, des revêtements, de la pharmacie, du biomédical, de l'environnement et bien d'autres.
MAINTENANT, PARLONS DE VOTRE CANDIDATURE
Mesure de la relaxation des contraintes par nanoindentation
INTRODUCTION
Les matériaux viscoélastiques sont caractérisés comme ayant à la fois des propriétés visqueuses et élastiques. Ces matériaux sont soumis à une diminution de la contrainte en fonction du temps (relaxation de la contrainte) sous une contrainte constante, ce qui entraîne une perte importante de la force de contact initiale. La relaxation des contraintes dépend du type de matériau, de la texture, de la température, de la contrainte initiale et du temps. La compréhension de la relaxation des contraintes est essentielle pour sélectionner les matériaux optimaux qui présentent la résistance et la flexibilité (relaxation) requises pour des applications spécifiques.
Importance de la mesure de la relaxation du stress
Conformément à la norme ASTM E328i, "Standard Test Methods for Stress Relaxation for Materials and Structures", une force externe est initialement appliquée sur un matériau ou une structure à l'aide d'un pénétrateur jusqu'à ce qu'elle atteigne une force maximale prédéterminée. Une fois la force maximale atteinte, la position du pénétrateur est maintenue constante à cette profondeur. La variation de la force externe nécessaire pour maintenir la position du pénétrateur est ensuite mesurée en fonction du temps. La difficulté des tests de relaxation de contrainte est de maintenir la profondeur constante. Le testeur mécanique Nanovea nanoindentation mesure avec précision la relaxation de la contrainte en appliquant un contrôle en boucle fermée (rétroaction) de la profondeur à l'aide d'un actionneur piézo-électrique. L'actionneur réagit en temps réel pour maintenir la profondeur constante, tandis que le changement de charge est mesuré et enregistré par un capteur de charge très sensible. Ce test peut être réalisé sur pratiquement tous les types de matériaux sans qu'il soit nécessaire de respecter des exigences strictes en matière de dimensions de l'échantillon. En outre, plusieurs essais peuvent être réalisés sur un seul échantillon plat afin de garantir la répétabilité du test.
OBJECTIF DE MESURE
Dans cette application, le module de nanoindentation du Nanovea Mechanical Tester mesure le comportement de relaxation sous contrainte d'un échantillon d'acrylique et de cuivre. Nous montrons que le Nanovea Testeur Méchanique est un outil idéal pour évaluer le comportement viscoélastique en fonction du temps des matériaux polymères et métalliques.
CONDITIONS DE TEST
La relaxation des contraintes d'un échantillon d'acrylique et d'un échantillon de cuivre a été mesurée par le module de nanoindentation du Nanovea Mechanical Tester. Différents taux de charge d'indentation ont été appliqués, allant de 1 à 10 µm/min. La relaxation a été mesurée à une profondeur fixe une fois que la charge maximale cible a été atteinte. Une période de maintien de 100 secondes a été mise en place à une profondeur fixe et le changement de charge a été enregistré au fur et à mesure que le temps de maintien s'écoulait. Tous les essais ont été réalisés dans des conditions ambiantes (température ambiante de 23 °C) et les paramètres des essais d'indentation sont résumés dans le tableau 1.
RÉSULTATS ET DISCUSSION
Figure 2 montre l'évolution du déplacement et de la charge en fonction du temps pendant la mesure de la relaxation des contraintes d'un échantillon acrylique et d'une vitesse de chargement de l'indentation de 3 µm/min à titre d'exemple. L'ensemble de ce test peut être décomposé en trois étapes : Chargement, Relaxation et Déchargement. Au cours de l'étape de chargement, la profondeur augmente de façon linéaire au fur et à mesure que la charge augmente. La phase de relaxation a été lancée une fois que la charge maximale a été atteinte. Au cours de cette phase, une profondeur constante a été maintenue pendant 100 secondes grâce à la fonction de contrôle de la profondeur en boucle fermée de l'instrument et il a été observé que la charge diminuait au fil du temps. L'essai s'est terminé par une phase de déchargement afin de retirer le pénétrateur de l'échantillon acrylique.
D'autres essais d'indentation ont été réalisés en utilisant les mêmes taux de charge du pénétrateur mais en excluant une période de relaxation (fluage). Les courbes de charge en fonction du déplacement ont été obtenues à partir de ces essais et ont été combinées dans les graphiques de la figure 3 pour les échantillons d'acrylique et de cuivre. Lorsque la vitesse de chargement du pénétrateur a diminué de 10 à 1 µm/min, la courbe charge-déplacement s'est déplacée progressivement vers des profondeurs de pénétration plus élevées pour l'acrylique et le cuivre. Une telle augmentation de la déformation en fonction du temps résulte de l'effet de fluage viscoélastique des matériaux. Un taux de chargement plus faible permet à un matériau viscoélastique d'avoir plus de temps pour réagir à la contrainte externe qu'il subit et de se déformer en conséquence...
L'évolution de la charge à une déformation constante en utilisant différents taux de charge d'indentation a été tracée dans la Figure 4 pour les deux matériaux testés. La charge a diminué à un taux plus élevé dans les premiers stades de la phase de relaxation (période de maintien de 100 secondes) des essais et a ralenti une fois que le temps de maintien a atteint ~50 secondes. Les matériaux viscoélastiques, tels que les polymères et les métaux, présentent un taux de perte de charge plus important lorsqu'ils sont soumis à des taux de charge d'indentation plus élevés. Le taux de perte de charge pendant la relaxation a augmenté de 51,5 à 103,2 mN pour l'acrylique et de 15,0 à 27,4 mN pour le cuivre, respectivement, lorsque la vitesse de chargement de l'indentation a augmenté de 1 à 10 µm/min. Figure 5.
Comme mentionné dans la norme ASTM E328ii, le principal problème rencontré dans les tests de relaxation des contraintes est l'incapacité d'un instrument à maintenir une déformation/profondeur constante. Le testeur mécanique Nanovea fournit d'excellentes mesures précises de relaxation des contraintes grâce à sa capacité à appliquer un contrôle en boucle fermée de la profondeur entre l'actionneur piézo-électrique à action rapide et le capteur de profondeur à condensateur indépendant. Pendant la phase de relaxation, l'actionneur piézoélectrique ajuste le pénétrateur pour maintenir sa contrainte de profondeur constante en temps réel tandis que le changement de charge est mesuré et enregistré par un capteur de charge indépendant de haute précision.
CONCLUSION
La relaxation des contraintes d'un échantillon d'acrylique et d'un échantillon de cuivre a été mesurée à l'aide du module de nanoindentation du testeur mécanique Nanovea à différents taux de chargement. Une profondeur maximale plus importante est atteinte lorsque les indentations sont réalisées à des taux de chargement plus faibles en raison de l'effet de fluage du matériau pendant le chargement. Les échantillons d'acrylique et de cuivre présentent tous deux un comportement de relaxation des contraintes lorsque la position de l'indenteur à une charge maximale ciblée est maintenue constante. Des changements plus importants dans la perte de charge pendant la phase de relaxation ont été observés pour les essais avec des taux de chargement d'indentation plus élevés.
L'essai de relaxation de contrainte produit par le testeur mécanique Nanovea montre la capacité de l'instrument à quantifier et à mesurer de manière fiable le comportement viscoélastique dépendant du temps des matériaux polymères et métalliques. Il dispose d'une multi-fonction inégalée Nano et Micro modules sur une seule plate-forme. Des modules de contrôle de l'humidité et de la température peuvent être associés à ces instruments pour des capacités de tests environnementaux applicables à un large éventail d'industries. Les modules Nano et Micro comprennent tous deux des modes d'essai de rayure, de dureté et d'usure, offrant ainsi la gamme la plus large et la plus conviviale de capacités d'essais mécaniques disponibles sur un seul système.
