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Archives mensuelles : septembre 2021

Propriétés mécaniques de l'hydrogel

PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DE L'HYDROGEL

EN UTILISANT LA NANOINDENTATION

PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DE L'HYDROGEL

Préparé par

DUANJIE LI, PhD & JORGE RAMIREZ

INTRODUCTION

L'hydrogel est connu pour sa grande capacité d'absorption de l'eau, ce qui lui confère une flexibilité très proche de celle des tissus naturels. Cette ressemblance a fait de l'hydrogel un choix courant non seulement dans les biomatériaux, mais aussi dans l'électronique, l'environnement et les applications de biens de consommation tels que les lentilles de contact. Chaque application unique requiert des propriétés mécaniques spécifiques de l'hydrogel.

IMPORTANCE DE LA NANOINDENTATION POUR LES HYDROGELS

Les hydrogels créent des défis uniques pour la nanoindentation, tels que la sélection des paramètres d'essai et la préparation des échantillons. De nombreux systèmes de nanoindentation présentent des limitations importantes car ils n'ont pas été conçus à l'origine pour les tests de nanodentation. ces matériaux mous. Certains des systèmes de nanoindentation utilisent un ensemble bobine/aimant pour appliquer une force sur l'échantillon. Il n'y a pas de mesure réelle de la force, ce qui entraîne une charge imprécise et non linéaire lors de l'essai de matériaux mous. matériaux. Déterminer le point de contact est extrêmement difficile car les La profondeur est le seul paramètre réellement mesuré. Il est presque impossible d'observer le changement de la pente dans les Profondeur en fonction du temps pendant le période pendant laquelle la pointe du pénétrateur s'approche du matériau hydrogel.

Afin de surmonter les limites de ces systèmes, le nanomodule du NANOVEA Testeur Méchanique mesure le retour de force avec une cellule de pesée individuelle pour garantir une grande précision sur tous les types de matériaux, mous ou durs. Le déplacement commandé par piézo est extrêmement précis et rapide. Cela permet une mesure inégalée des propriétés viscoélastiques en éliminant de nombreuses hypothèses théoriques que doivent prendre en compte les systèmes avec un ensemble bobine/aimant et sans retour de force.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette application, le NANOVEA Le testeur mécanique, en mode nanoindentation, est utilisé pour étudier la dureté, le module élastique et le fluage d'un échantillon d'hydrogel.

NANOVEA PB1000 Testeur Méchanique

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nanoindentateur et testeur de rayures Nanovea PB1000

CONDITIONS DE TEST

Un échantillon d'hydrogel placé sur une lamelle de verre a été testé par la technique de nanoindentation à l'aide d'une NANOVEA Testeur mécanique. Pour ce matériau mou, une pointe sphérique de 3 mm de diamètre a été utilisée. La charge a augmenté linéairement de 0,06 à 10 mN pendant la période de chargement. Le fluage a ensuite été mesuré par le changement de la profondeur d'indentation à la charge maximale de 10 mN pendant 70 secondes.

LA VITESSE D'APPROCHE : 100 μm/min

CHARGE DE CONTACT
0,06 mN
CHARGE MAXI
10 mN
TAUX DE CHARGEMENT

20 mN/min

CREEP
70 s
Test d'indentation sur hydrogel

RÉSULTATS ET DISCUSSION

L'évolution de la charge et de la profondeur en fonction du temps est présentée dans le tableau suivant FUGURE 1. On peut observer que sur le tracé du Profondeur en fonction du tempsEn effet, il est très difficile de déterminer le point de changement de pente au début de la période de chargement, qui indique généralement le moment où le pénétrateur commence à entrer en contact avec le matériau mou. Cependant, le tracé de la Charge en fonction du temps montre le comportement particulier de l'hydrogel sous une charge appliquée. Lorsque l'hydrogel commence à entrer en contact avec le pénétrateur à bille, l'hydrogel tire le pénétrateur à bille en raison de sa tension de surface, ce qui tend à diminuer la surface. Ce comportement conduit à la charge négative mesurée au début de l'étape de chargement. La charge augmente progressivement à mesure que le pénétrateur s'enfonce dans l'hydrogel, et elle est ensuite contrôlée pour être constante à la charge maximale de 10 mN pendant 70 secondes afin d'étudier le comportement de fluage de l'hydrogel.

caractérisation de l'hydrogel
nanoindentation d'hydrogels

FIGURE 1: Évolution de la charge et de la profondeur en fonction du temps.

Le tracé de la Profondeur de fluage en fonction du temps est présenté dans FIGURE 2et le Charge en fonction du déplacement de l'essai de nanoindentation est illustré dans le tableau ci-dessous. FIGURE 3. L'hydrogel utilisé dans cette étude possède une dureté de 16,9 KPa et un module de Young de 160,2 KPa, calculés à partir de la courbe de déplacement de la charge selon la méthode Oliver-Pharr.

Le fluage est un facteur important pour l'étude des propriétés mécaniques d'un hydrogel. Le contrôle par rétroaction en boucle fermée entre le piézo et la cellule de charge ultrasensible assure une charge constante réelle pendant le temps de fluage à la charge maximale. Comme le montre FIGURE 2, l'hydrogel s'affaisse de ~42 μm en raison du fluage en 70 secondes sous la charge maximale de 10 mN appliquée par la pointe de la bille de 3 mm.

essais mécaniques sur hydrogels

FIGURE 2 : Fluage à une charge maximale de 10 mN pendant 70 secondes.

test de durabilité de l'hydrogel

FIGURE 3 : Tracé de la charge en fonction du déplacement de l'hydrogel.

CONCLUSION

Dans cette étude, nous avons montré que les NANOVEA Le testeur mécanique, en mode nanoindentation, fournit une mesure précise et répétable des propriétés mécaniques d'un hydrogel, notamment la dureté, le module de Young et le fluage. La grande pointe de la bille de 3 mm assure un bon contact avec la surface de l'hydrogel. La platine motorisée de haute précision permet de positionner avec précision la face plate de l'échantillon d'hydrogel sous la pointe de la bille. L'hydrogel utilisé dans cette étude présente une dureté de 16,9 KPa et un module de Young de 160,2 KPa. La profondeur de fluage est de ~42 μm sous une charge de 10 mN pendant 70 secondes.

NANOVEA Les testeurs mécaniques offrent des modules multifonctionnels inégalés, Nano et Micro, sur une seule plate-forme. Les deux modules comprennent un testeur de rayures, un testeur de dureté et un testeur d'usure, offrant ainsi la gamme de tests la plus large et la plus conviviale disponible sur une seule plate-forme.
système.

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Test d'usure des pistons

ESSAI D'USURE DES PISTONSUTILISATION DU TRIBOMÈTRE NANOVEA

Essai d'usure des pistons à l'aide du tribomètre NANOVEA dans des conditions lubrifiées.

Préparé par

FRANK LIU

Qu'est-ce que le test d'usure des pistons ?

Les essais d'usure des pistons évaluent le frottement, la lubrification et la durabilité des matériaux entre les jupes des pistons et les chemises de cylindre dans des conditions de laboratoire contrôlées. À l'aide d'un tribomètre, les ingénieurs peuvent reproduire le mouvement alternatif réel et mesurer avec précision le coefficient de frottement, le taux d'usure et la topographie 3D de la surface. Ces résultats fournissent des informations clés sur le comportement tribologique des revêtements, des lubrifiants et des alliages utilisés dans les pistons des moteurs, ce qui permet d'optimiser les performances, le rendement énergétique et la fiabilité à long terme.

Schéma illustrant l'interface de lubrification entre la jupe du piston et la chemise de cylindre pendant un essai d'usure.

 Schéma du système de vérins de puissance et des interfaces jupe de piston-lubrifiant-revêtement de vérin.

💡 Vous souhaitez quantifier le taux d'usure et le frottement de vos propres échantillons ? Demandez un test tribologique personnalisé adapté à votre application.

Pourquoi les essais d'usure des pistons sont importants dans le développement des moteurs

L'huile moteur est un lubrifiant bien conçu pour son application. Outre l'huile de base, des additifs tels que des détergents, des dispersants, des améliorants de viscosité (VI), des agents anti-usure/anti-friction et des inhibiteurs de corrosion sont ajoutés pour améliorer ses performances. Ces additifs influent sur le comportement de l'huile dans différentes conditions de fonctionnement. Le comportement de l'huile affecte les interfaces P-L-C et détermine si une usure importante par contact métal-métal ou une lubrification hydrodynamique (très peu d'usure) se produit.

Il est difficile de comprendre les interfaces P-L-C sans isoler la zone des variables externes. Il est plus pratique de simuler l'événement avec des conditions représentatives de son application réelle. Le site NANOVEA Le Tribometer est idéal pour cela. Équipé de plusieurs capteurs de force, d'un capteur de profondeur, d'un module de lubrification goutte à goutte et d'une platine linéaire à mouvement alternatif, le NANOVEA T2000 est capable d'imiter fidèlement les événements qui se produisent dans un bloc moteur et d'obtenir des données précieuses pour mieux comprendre les interfaces P-L-C.

Configuration du module d'essai d'usure et de frottement du piston du tribomètre nanovea

Module liquide sur le tribomètre NANOVEA T2000

Le module goutte à goutte est crucial pour cette étude. Comme les pistons peuvent se déplacer à une vitesse très rapide (supérieure à 3 000 tr/min), il est difficile de créer un film mince de lubrifiant en immergeant l'échantillon. Pour remédier à ce problème, le module de goutte-à-goutte est capable d'appliquer une quantité constante de lubrifiant sur la surface de la jupe du piston.

L'application d'un lubrifiant frais élimine également le risque que des contaminants d'usure délogés influencent les propriétés du lubrifiant.

Comment les tribomètres simulent
Usure réelle du piston et de la chemise

Les interfaces piston-chemise-cylindre seront étudiées dans ce rapport. Les interfaces seront reproduites en effectuant un mouvement alternatif linéaire. test d'usure avec module de lubrification goutte à goutte.

Le lubrifiant sera appliqué à température ambiante et à chaud pour comparer les conditions de démarrage à froid et de fonctionnement optimal. Le COF et le taux d'usure seront observés pour mieux comprendre le comportement des interfaces dans des applications réelles.

NANOVEA T2000
Tribomètre à charge élevée

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Tribomètre pneumatique à haute charge NANOVEA T2000

Paramètres et configuration du test d'usure des pistons

CHARGE ............................ 100 N

DURÉE DU TEST ............................ 30 minutes

VITESSE ............................ 2000 rpm

AMPLITUDE ............................ 10 mm

DISTANCE TOTALE ............................ 1200 m

REVÊTEMENT DE LA JUPE ............................ Moly-graphite

MATÉRIAU DE LA BROCHE ............................ Alliage d'aluminium 5052

DIAMÈTRE DE LA BROCHE ............................ 10 mm

LUBRIFIANT ............................ Huile moteur (10W-30)

APPROX. DÉBIT ............................ 60 mL/min

TEMPÉRATURE ............................ Température ambiante et 90°C

Pertinence dans le monde réel de
Test d'usure des pistons

Les essais d'usure des pistons à l'aide d'un tribomètre fournissent des informations essentielles sur l'influence du choix des matériaux et des stratégies de lubrification sur la fiabilité réelle des moteurs. Au lieu de recourir à des essais coûteux sur des moteurs complets, les laboratoires peuvent évaluer les revêtements, les huiles et les surfaces en alliage dans des conditions de charge mécanique et de température réalistes. NANOVEA Profilométrie 3D Les modules de tribologie permettent une cartographie précise de la profondeur d'usure et de la stabilité du frottement, aidant ainsi les équipes de R&D à optimiser les performances et à réduire les cycles de développement.

Résultats et analyse des essais d'usure des pistons

Comparaison des traces d'usure des pistons issues d'un test d'usure lubrifié au tribomètre

Dans cette expérience, l'A5052 a été utilisé comme matériau de référence. Bien que les blocs moteurs soient généralement fabriqués en aluminium moulé tel que l'A356, l'A5052 présente des propriétés mécaniques similaires à celles de l'A356 pour cet essai simulé [1].

Dans les conditions d'essai, une usure importante a été observée sur la jupe du piston à température ambiante par rapport à une température de 90 °C. Les rayures profondes observées sur les échantillons suggèrent que le contact entre le matériau statique et la jupe du piston se produit fréquemment tout au long de l'essai. La viscosité élevée à température ambiante peut empêcher l'huile de remplir complètement les interstices aux interfaces et créer un contact métal-métal. À une température plus élevée, l'huile s'amincit et peut s'écouler entre la goupille et le piston. Par conséquent, on observe une usure nettement moindre à une température plus élevée. La FIGURE 5 montre qu'un côté de la marque d'usure s'est usé nettement moins que l'autre côté. Cela est très probablement dû à l'emplacement de la sortie d'huile. L'épaisseur du film lubrifiant était plus importante d'un côté que de l'autre, ce qui a entraîné une usure inégale.

[1] “ Aluminium 5052 vs aluminium 356.0 ”. MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum

Le COF des essais de tribologie à mouvement alternatif linéaire peut être divisé en un passage haut et un passage bas. Le passage haut fait référence à l'échantillon se déplaçant dans la direction avant, ou positive, et le passage bas fait référence à l'échantillon se déplaçant dans la direction inverse, ou négative. On a observé que le COF moyen pour l'huile RT était inférieur à 0,1 dans les deux sens. Les COF moyens entre les passages étaient de 0,072 et 0,080. Le COF moyen de l'huile à 90°C s'est avéré différent entre les passages. Des valeurs moyennes de COF de 0,167 et 0,09 ont été observées. La différence de COF est une preuve supplémentaire que l'huile n'a pu mouiller correctement qu'un seul côté de l'axe. Un COF élevé a été obtenu lorsqu'un film épais s'est formé entre l'axe et la jupe du piston en raison de la lubrification hydrodynamique qui s'est produite. Un COF plus faible est observé dans l'autre sens lorsqu'une lubrification mixte se produit. Pour plus d'informations sur la lubrification hydrodynamique et la lubrification mixte, veuillez consulter notre note d'application sur Courbes de Stribeck.
Résultats du coefficient de frottement et du taux d'usure issus du test d'usure des pistons lubrifiés

Tableau 1 : Résultats d'un essai d'usure lubrifié sur des pistons.

Graphiques du coefficient de frottement pour le test d'usure des pistons à température ambiante, montrant les profils bruts des filtres passe-haut et passe-bas.

FIGURE 1: Graphiques COF pour l'essai d'usure de l'huile à température ambiante A profil brut B passage élevé C passage bas.

Graphiques du coefficient de frottement pour le test d'usure des pistons à 90 °C montrant les profils bruts des filtres passe-haut et passe-bas.

FIGURE 2 : Graphiques COF pour un essai d'huile d'usure à 90°C A profil brut B passe haut C passe bas.

Image au microscope optique d'une marque d'usure sur un piston après un test d'usure à température ambiante avec de l'huile moteur.

FIGURE 3 : Image optique d'une cicatrice d'usure provenant d'un test d'usure d'huile moteur RT.

Surface du piston présentant une trace d'usure localisée mise en évidence pour l'analyse tribologique.
Analyse du volume et de la profondeur des traces d'usure du piston à partir d'un test au tribomètre

FIGURE 4 : Volume d'un trou analyse de la cicatrice d'usure de l'essai d'usure de l'huile moteur RT.

Scan 3D du profil de surface d'une marque d'usure sur un piston, montrant la profondeur et la rugosité de l'usure.

FIGURE 5 : Scan de profilométrie d'une cicatrice d'usure provenant d'un test d'usure d'huile moteur RT.

Image au microscope optique d'une marque d'usure sur un piston après un test d'usure de l'huile moteur à 90 degrés.

FIGURE 6 : Image optique d'une cicatrice d'usure provenant d'un essai d'usure d'huile moteur à 90°C

Jupe de piston présentant une zone d'usure analysée lors d'un test d'usure du piston au tribomètre.
Mesure du volume et de la profondeur des traces d'usure du piston à partir d'un test au tribomètre à huile moteur à 90 degrés.

FIGURE 7 : Volume de l'analyse d'un trou de la cicatrice d'usure provenant d'un essai d'usure d'huile moteur à 90°C.

Scan 3D du profil de surface d'une marque d'usure sur un piston provenant d'un test d'usure à 90 degrés avec de l'huile moteur, montrant la profondeur et la texture de l'usure.

FIGURE 8 : Balayage profilométrique d'une cicatrice d'usure provenant d'un essai d'usure d'huile moteur à 90°C.

Conclusion : Évaluation de l'usure des moteurs à l'aide des tribomètres NANOVEA

Des essais d'usure linéaire lubrifiée ont été réalisés sur un piston afin de simuler les événements se produisant dans un moteur en fonctionnement réel. Les interfaces entre la jupe du piston, le lubrifiant et la chemise du cylindre sont cruciales pour le fonctionnement d'un moteur. L'épaisseur du lubrifiant à l'interface est responsable de la perte d'énergie due au frottement ou à l'usure entre la jupe du piston et la chemise du cylindre. Pour optimiser le moteur, l'épaisseur du film doit être aussi fine que possible sans permettre à la jupe du piston et à la chemise de cylindre de se toucher. Le défi consiste toutefois à déterminer comment les variations de température, de vitesse et de force affectent les interfaces P-L-C.

Grâce à sa large plage de charge (jusqu'à 2000 N) et de vitesse (jusqu'à 15000 tr/min), le tribomètre NANOVEA T2000 est capable de simuler différentes conditions possibles dans un moteur. Les études futures possibles sur ce sujet portent notamment sur le comportement des interfaces P-L-C sous différentes charges constantes, charges oscillantes, températures de lubrifiant, vitesses et méthodes d'application du lubrifiant. Ces paramètres peuvent être facilement ajustés avec le tribomètre NANOVEA T2000 afin de permettre une compréhension complète des mécanismes des interfaces piston-lubrifiant-chemise de cylindre.

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