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Archives mensuelles : septembre 2021

Propriétés mécaniques de l'hydrogel

PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DE L'HYDROGEL

EN UTILISANT LA NANOINDENTATION

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

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
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.

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.

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

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

Test d'usure des pistons

Utilisation d'un tribomètre

Préparé par

FRANK LIU

INTRODUCTION

La perte par frottement représente environ 10% de l'énergie totale du carburant d'un moteur diesel.[1]. 40-55% de la perte par friction provient du système de cylindre de puissance. La perte d'énergie due au frottement peut être diminuée par une meilleure compréhension des interactions tribologiques qui se produisent dans le système de cylindre de puissance.

Une partie importante de la perte par frottement dans le système de cylindre de puissance provient du contact entre la jupe du piston et la chemise du cylindre. L'interaction entre la jupe du piston, le lubrifiant et les interfaces du cylindre est assez complexe en raison des changements constants de force, de température et de vitesse dans un moteur réel. L'optimisation de chaque facteur est essentielle pour obtenir des performances optimales du moteur. Cette étude se concentre sur la reproduction des mécanismes à l'origine des forces de frottement et de l'usure aux interfaces jupe du piston - lubrifiant - chemise du cylindre (P-L-C).

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

[1] Bai, Dongfang. Modélisation de la lubrification de la jupe du piston dans les moteurs à combustion interne. Diss. MIT, 2012

IMPORTANCE DE TESTER LES PISTONS AVEC DES TRIBOMÈTRES

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 Tribomètre est idéal pour cela. Équipé de plusieurs capteurs de force, d'un capteur de profondeur, d'un module de lubrifiant goutte à goutte et d'un étage linéaire alternatif, le NANOVEA Le T2000 est capable de reproduire fidèlement les événements qui se produisent dans un bloc moteur et d'obtenir des données précieuses pour mieux comprendre les interfaces P-L-C.

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.

Tribomètre pneumatique à haute charge

NANOVEA T2000

Tribomètre à charge élevée

OBJECTIF DE MESURE

Les interfaces jupe du piston - lubrifiant - chemise du cylindre seront étudiées dans ce rapport. Les interfaces seront reproduites en effectuant un essai d'usure linéaire alternatif avec un module de lubrifiant 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.

PARAMÈTRES D'ESSAI

pour les essais tribologiques sur les 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

RÉSULTATS DES ESSAIS DE RÉCIPROCITÉ LINÉAIRE

Dans cette expérience, l'A5052 a été utilisé comme contre-matériau. Alors que les blocs moteurs sont généralement fabriqués en aluminium moulé tel que l'A356, l'A5052 a des propriétés mécaniques similaires à l'A356 pour ce test de simulation [2].

Dans les conditions d'essai, une usure importante a été
observée sur la jupe du piston à température ambiante
par rapport à la 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 espaces aux interfaces et de créer un contact métal-métal. À une température plus élevée, l'huile s'amincit et est capable de s'écouler entre l'axe 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 cicatrice d'usure s'est beaucoup moins usé que l'autre. Cela est très probablement dû à l'emplacement de la sortie d'huile. L'épaisseur du film de lubrifiant était plus importante d'un côté que de l'autre, provoquant une usure inégale.

 

 

[2] "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.

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

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

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

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

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

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

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

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.

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

CONCLUSION

Des essais d'usure par mouvement alternatif linéaire lubrifié ont été menés sur un piston afin de simuler les événements qui se produisent dans une machine à café.
moteur opérationnel en situation réelle. Les interfaces jupe du piston - lubrifiant - 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 à la friction 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 que la jupe du piston et la chemise du cylindre ne se touchent. Le défi, cependant, est de savoir comment les changements de température, de vitesse et de force affecteront les interfaces P-L-C.

Avec sa large gamme de charge (jusqu'à 2000 N) et de vitesse (jusqu'à 15000 tr/min), le tribomètre NANOVEA T2000 est capable de simuler les différentes conditions possibles dans un moteur. Les études futures possibles sur ce sujet incluent le comportement des interfaces P-L-C sous différentes charges constantes, charges oscillantes, température du lubrifiant, vitesse et méthode d'application du lubrifiant. Ces paramètres peuvent être facilement ajustés avec le tribomètre NANOVEA T2000 pour donner une compréhension complète des mécanismes des interfaces jupe de piston-lubrifiant-revêtement de cylindre.

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