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AR Archivio mensile: Novembre 2019
Tribologia dei polimeri
Introduzione
I polimeri sono stati ampiamente utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni e sono diventati una parte indispensabile della vita quotidiana. I polimeri naturali, come l'ambra, la seta e la gomma naturale, hanno svolto un ruolo essenziale nella storia dell'umanità. Il processo di fabbricazione dei polimeri sintetici può essere ottimizzato per ottenere proprietà fisiche uniche come la tenacità, la viscoelasticità, l'autolubrificazione e molte altre.
Importanza dell'usura e dell'attrito dei polimeri
I polimeri sono comunemente utilizzati per applicazioni tribologiche, come pneumatici, cuscinetti e nastri trasportatori.
A seconda delle proprietà meccaniche del polimero, delle condizioni di contatto e delle proprietà dei detriti o del film di trasferimento che si formano durante il processo di usura, si verificano diversi meccanismi di usura. Per garantire che i polimeri abbiano una sufficiente resistenza all'usura nelle condizioni di servizio, è necessaria una valutazione tribologica affidabile e quantificabile. La valutazione tribologica ci permette di confrontare quantitativamente il comportamento all'usura di diversi polimeri in modo controllato e monitorato, per selezionare il materiale candidato per l'applicazione desiderata.
Il tribometro Nanovea offre test ripetibili di usura e attrito utilizzando modalità rotative e lineari conformi agli standard ISO e ASTM, con moduli opzionali di usura e lubrificazione ad alta temperatura disponibili in un unico sistema pre-integrato. Questa gamma impareggiabile consente agli utenti di simulare i diversi ambienti di lavoro dei polimeri, tra cui le sollecitazioni concentrate, l'usura, le alte temperature, ecc.
OBIETTIVO DI MISURAZIONE
In questo studio, abbiamo dimostrato che Nanovea Tribometro è uno strumento ideale per confrontare la resistenza all'attrito e all'usura di diversi polimeri in modo ben controllato e quantitativo.
PROCEDURA DI PROVA
Il coefficiente di attrito (COF) e la resistenza all'usura di diversi polimeri comuni sono stati valutati dal tribometro Nanovea. Come contromateriale (perno, campione statico) è stata utilizzata una sfera di Al2O3. Le tracce di usura sui polimeri (campioni rotanti dinamici) sono state misurate utilizzando a Profilometro 3D senza contatto e microscopio ottico al termine delle prove. Va notato che, come opzione, è possibile utilizzare un sensore endoscopico senza contatto per misurare la profondità di penetrazione del perno nel campione dinamico durante un test di usura. I parametri del test sono riepilogati nella Tabella 1. Il tasso di usura, K, è stato valutato utilizzando la formula K=Vl(Fxs), dove V è il volume usurato, F è il carico normale e s è la distanza di scorrimento.
Si noti che in questo studio sono state utilizzate sfere di Al2O3 come materiale di contrasto. È possibile sostituire qualsiasi materiale solido per simulare più fedelmente le prestazioni di due campioni in condizioni di applicazione reali.
RISULTATI E DISCUSSIONE
Il tasso di usura è un fattore vitale per determinare la durata di vita dei materiali, mentre l'attrito gioca un ruolo critico nelle applicazioni tribologiche. La Figura 2 confronta l'evoluzione del COF per diversi polimeri rispetto alla sfera di Al2O3 durante i test di usura. Il COF è un indicatore del momento in cui si verificano i guasti e il processo di usura entra in una nuova fase. Tra i polimeri testati, l'HDPE mantiene il COF costante più basso, pari a ~0,15, per tutta la durata del test di usura. Il COF regolare implica la formazione di un contatto tribale stabile.
Le Figure 3 e 4 confrontano le tracce di usura dei campioni di polimero dopo la misurazione al microscopio ottico. Il profilometro 3D senza contatto In-situ determina con precisione il volume di usura dei campioni di polimero, consentendo di calcolare accuratamente i tassi di usura di 0,0029, 0,0020 e 0,0032m3/N m, rispettivamente. In confronto, il campione di CPVC mostra il tasso di usura più elevato, pari a 0,1121m3/N m. Nella traccia di usura del CPVC sono presenti profonde cicatrici di usura parallele.
CONCLUSIONE
La resistenza all'usura dei polimeri gioca un ruolo fondamentale nelle loro prestazioni di servizio. In questo studio, abbiamo dimostrato che il Tribometro Nanovea valuta il coefficiente di attrito e il tasso di usura di diversi polimeri in un
in modo ben controllato e quantitativo. L'HDPE mostra il COF più basso, pari a ~0,15, tra i polimeri testati. I campioni di HDPE, Nylon 66 e Polipropilene possiedono bassi tassi di usura, rispettivamente pari a 0,0029, 0,0020 e 0,0032 m3/N m. La combinazione di basso attrito e grande resistenza all'usura rende l'HDPE un buon candidato per le applicazioni tribologiche dei polimeri.
Il profilometro 3D senza contatto in situ consente di misurare con precisione il volume dell'usura e offre uno strumento per analizzare la morfologia dettagliata delle tracce di usura, fornendo maggiori informazioni sulla comprensione fondamentale dei meccanismi di usura.
PARLIAMO ORA DELLA VOSTRA APPLICAZIONE
Finitura superficiale dei pannelli alveolari con la profilometria 3D
INTRODUZIONE
La rugosità, la porosità e la struttura della superficie del pannello a nido d'ape sono fondamentali da quantificare per la progettazione finale del pannello. Queste qualità superficiali possono essere direttamente correlate all'estetica e alle caratteristiche funzionali della superficie del pannello. Una migliore comprensione della struttura e della porosità della superficie può aiutare a ottimizzare la lavorazione e la producibilità della superficie del pannello. Una misurazione quantitativa, precisa e affidabile della superficie del pannello a nido d'ape è necessaria per controllare i parametri della superficie per i requisiti di applicazione e verniciatura. I sensori 3D senza contatto Nanovea utilizzano un'esclusiva tecnologia confocale cromatica in grado di misurare con precisione le superfici dei pannelli.
OBIETTIVO DI MISURAZIONE
In questo studio, la piattaforma Nanovea HS2000 dotata di un sensore di linea ad alta velocità è stata utilizzata per misurare e confrontare due pannelli a nido d'ape con diverse finiture superficiali. Mostriamo la Nanovea profilometro senza contattodi fornire misurazioni di profilatura 3D rapide e precise e un'analisi approfondita e completa della finitura superficiale.
RISULTATI E DISCUSSIONE
Sono state misurate le superfici di due campioni di pannelli a nido d'ape con diverse finiture superficiali, ovvero il Campione 1 e il Campione 2. Le viste in falso colore e in 3D delle superfici dei Campioni 1 e 2 sono mostrate rispettivamente nella Figura 3 e nella Figura 4. I valori di rugosità e planarità sono stati calcolati con un software di analisi avanzato e sono confrontati nella Tabella 1. Il Campione 2 mostra una maggiore porosità della superficie. Il Campione 2 presenta una superficie più porosa rispetto al Campione 1. Di conseguenza, il Campione 2 possiede una rugosità maggiore. Di conseguenza, il Campione 2 possiede una rugosità Sa più elevata, pari a 14,7 µm, rispetto al valore Sa di 4,27 µm del Campione 1.
I profili 2D delle superfici dei pannelli a nido d'ape sono stati confrontati nella Figura 5, consentendo agli utenti di avere un confronto visivo della variazione di altezza in diversi punti della superficie del campione. Possiamo osservare che il campione 1 presenta una variazione di altezza di ~25 µm tra il picco più alto e la posizione più bassa della valle. D'altra parte, il campione 2 mostra diversi pori profondi lungo il profilo 2D. Il software di analisi avanzata è in grado di individuare e misurare automaticamente la profondità di sei pori relativamente profondi, come mostrato nella tabella della Figura 4.b Campione 2. Il poro più profondo tra i sei è quello che si trova nel profilo 2D. Il poro più profondo tra i sei ha una profondità massima di quasi 90 µm (Passo 4).
Per approfondire la dimensione e la distribuzione dei pori del campione 2, è stata eseguita una valutazione della porosità, discussa nella sezione seguente. La figura 5 mostra una vista a fette e la tabella 2 riassume i risultati. Si può osservare che i pori, contrassegnati in blu nella Figura 5, hanno una distribuzione relativamente omogenea sulla superficie del campione. L'area proiettata dei pori costituisce 18,9% dell'intera superficie del campione. Il volume per mm² dei pori totali è di ~0,06 mm³. I pori hanno una profondità media di 42,2 µm e la profondità massima è di 108,1 µm.
CONCLUSIONE
In questa applicazione, abbiamo dimostrato che la piattaforma Nanovea HS2000, dotata di un sensore di linea ad alta velocità, è uno strumento ideale per analizzare e confrontare la finitura superficiale dei campioni di pannelli a nido d'ape in modo rapido e preciso. Le scansioni profilometriche ad alta risoluzione abbinate a un software di analisi avanzato consentono una valutazione completa e quantitativa della finitura superficiale dei campioni di pannelli a nido d'ape.
I dati qui riportati rappresentano solo una piccola parte dei calcoli disponibili nel software di analisi. I profilometri Nanovea misurano virtualmente qualsiasi superficie per un'ampia gamma di applicazioni nei settori dei semiconduttori, della microelettronica, dell'energia solare, delle fibre ottiche, dell'industria automobilistica, aerospaziale, della metallurgia, della lavorazione, dei rivestimenti, dell'industria farmaceutica, biomedica, ambientale e in molti altri settori.
PARLIAMO ORA DELLA VOSTRA APPLICAZIONE
Misura del rilassamento da sforzo mediante nanoindentazione
INTRODUZIONE
I materiali viscoelastici sono caratterizzati da proprietà sia viscose che elastiche. Questi materiali sono soggetti a una diminuzione delle sollecitazioni in funzione del tempo ("rilassamento" delle sollecitazioni) in presenza di una deformazione costante, che porta a una perdita significativa della forza di contatto iniziale. Il rilassamento delle sollecitazioni dipende dal tipo di materiale, dalla struttura, dalla temperatura, dalla sollecitazione iniziale e dal tempo. La comprensione del rilassamento delle sollecitazioni è fondamentale per la selezione di materiali ottimali che abbiano la resistenza e la flessibilità (rilassamento) necessarie per applicazioni specifiche.
Importanza della misurazione del rilassamento da stress
Secondo la norma ASTM E328i, "Standard Test Methods for Stress Relaxation for Materials and Structures", una forza esterna viene inizialmente applicata su un materiale o una struttura con un penetratore fino a raggiungere una forza massima predeterminata. Una volta raggiunta la forza massima, la posizione del penetratore viene mantenuta costante a questa profondità. Quindi si misura la variazione della forza esterna necessaria per mantenere la posizione del penetratore in funzione del tempo. La difficoltà nei test di rilassamento sotto sforzo consiste nel mantenere costante la profondità. Il tester meccanico Nanovea nanoindentazione Il modulo misura accuratamente il rilassamento da sforzo applicando un controllo ad anello chiuso (feedback) della profondità con un attuatore piezoelettrico. L'attuatore reagisce in tempo reale per mantenere costante la profondità, mentre la variazione del carico viene misurata e registrata da un sensore di carico altamente sensibile. Questo test può essere eseguito praticamente su tutti i tipi di materiali, senza la necessità di requisiti rigorosi in termini di dimensioni del campione. Inoltre, è possibile eseguire più test su un singolo campione piatto per garantire la ripetibilità del test.
OBIETTIVO DI MISURAZIONE
In questa applicazione, il modulo di nanoindentazione del Nanovea Mechanical Tester misura il comportamento di rilassamento da stress di un campione acrilico e di rame. Mostriamo che la Nanovea Collaudatore meccanico è uno strumento ideale per valutare il comportamento viscoelastico dipendente dal tempo di polimeri e materiali metallici.
CONDIZIONI DI PROVA
Il rilassamento delle sollecitazioni di un campione di acrilico e di rame è stato misurato dal modulo di nanoindentazione del Nanovea Mechanical Tester. Sono state applicate diverse velocità di carico di indentazione, da 1 a 10 µm/min. Il rilassamento è stato misurato a una profondità fissa una volta raggiunto il carico massimo desiderato. È stato applicato un periodo di mantenimento di 100 secondi a una profondità fissa e la variazione del carico è stata registrata allo scadere del tempo di mantenimento. Tutti i test sono stati condotti in condizioni ambientali (temperatura ambiente di 23 °C) e i parametri della prova di indentazione sono riassunti nella Tabella 1.
RISULTATI E DISCUSSIONE
Figura 2 mostra l'evoluzione dello spostamento e del carico in funzione del tempo durante la misurazione del rilassamento delle sollecitazioni di un campione acrilico con una velocità di carico di indentazione di 3 µm/min come esempio. L'intero test può essere suddiviso in tre fasi: Carico, Rilassamento e Scarico. Durante la fase di carico, la profondità è aumentata linearmente con il progressivo aumento del carico. La fase di rilassamento è iniziata una volta raggiunto il carico massimo. Durante questa fase è stata mantenuta una profondità costante per 100 secondi utilizzando la funzione di controllo della profondità ad anello chiuso di feedback dello strumento ed è stato osservato che il carico è diminuito nel tempo. L'intero test si è concluso con una fase di scarico per rimuovere il penetratore dal campione acrilico.
Ulteriori prove di indentazione sono state condotte utilizzando le stesse velocità di carico del penetratore, ma escludendo un periodo di rilassamento (creep). Da queste prove sono stati acquisiti i diagrammi carico-spostamento, combinati nei grafici della Figura 3 per i campioni di acrilico e rame. Quando la velocità di carico del penetratore è diminuita da 10 a 1 µm/min, la curva carico-spostamento si è spostata progressivamente verso profondità di penetrazione maggiori sia per l'acrilico che per il rame. Questo aumento della deformazione in funzione del tempo deriva dall'effetto di scorrimento viscoelastico dei materiali. Una velocità di carico inferiore consente a un materiale viscoelastico di avere più tempo per reagire alle sollecitazioni esterne subite e di deformarsi di conseguenza.
L'evoluzione del carico a deformazione costante utilizzando diverse velocità di carico di indentazione è stata tracciata nella Figura 4 per entrambi i materiali testati. Il carico è diminuito a una velocità maggiore nelle prime fasi della fase di rilassamento (periodo di mantenimento di 100 secondi) delle prove e ha rallentato una volta che il tempo di mantenimento ha raggiunto ~50 secondi. I materiali viscoelastici, come i polimeri e i metalli, mostrano una maggiore perdita di carico quando sono sottoposti a tassi di carico di indentazione più elevati. Il tasso di perdita di carico durante il rilassamento è aumentato da 51,5 a 103,2 mN per l'acrilico e da 15,0 a 27,4 mN per il rame, rispettivamente, all'aumentare della velocità di carico di indentazione da 1 a 10 µm/min, come riassunto in Figura 5.
Come indicato nella norma ASTM E328ii, il problema principale riscontrato nelle prove di rilassamento sotto sforzo è l'incapacità dello strumento di mantenere una deformazione/profondità costante. Il tester meccanico Nanovea fornisce misurazioni accurate ed eccellenti del rilassamento da sforzo grazie alla sua capacità di applicare un controllo ad anello chiuso di feedback della profondità tra l'attuatore piezoelettrico ad azione rapida e il sensore di profondità a condensatore indipendente. Durante la fase di rilassamento, l'attuatore piezoelettrico regola il penetratore per mantenere il vincolo di profondità costante in tempo reale, mentre la variazione del carico viene misurata e registrata da un sensore di carico indipendente ad alta precisione.
CONCLUSIONE
Il rilassamento delle sollecitazioni di un campione di acrilico e di rame è stato misurato utilizzando il modulo di nanoindentazione del Nanovea Mechanical Tester a diverse velocità di carico. Una maggiore profondità massima viene raggiunta quando le indentazioni vengono eseguite a velocità di carico inferiori, a causa dell'effetto di scorrimento del materiale durante il caricamento. Sia il campione di acrilico che quello di rame presentano un comportamento di rilassamento delle sollecitazioni quando la posizione del penetratore al carico massimo desiderato viene mantenuta costante. Le variazioni maggiori nella perdita di carico durante la fase di rilassamento sono state osservate per le prove con tassi di carico di indentazione più elevati.
Il test di rilassamento da sforzo prodotto dal tester meccanico Nanovea dimostra la capacità dello strumento di quantificare e misurare in modo affidabile il comportamento viscoelastico in funzione del tempo dei materiali polimerici e metallici. Il tester è dotato di moduli Nano e Micro multifunzione ineguagliabili su un'unica piattaforma. I moduli di controllo dell'umidità e della temperatura possono essere abbinati a questi strumenti per ottenere funzionalità di test ambientali applicabili a un'ampia gamma di settori. Entrambi i moduli Nano e Micro includono modalità di test di graffiatura, durezza e usura, offrendo la più ampia e semplice gamma di funzionalità di test meccanici disponibili su un unico sistema.
