PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DE L'HYDROGEL

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.