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ハイドロゲルの力学的特性

ハイドロゲルの機械的特性

ナノインデンテーションを用いた

ハイドロゲルの機械的特性

作成者

DUANJIE LI, PhD & JORGE RAMIREZ

はじめに

ハイドロゲルは、その高い吸水性により、天然組織に近い柔軟性を持つことで知られています。この類似性により、ハイドロゲルは生体材料だけでなく、エレクトロニクス、環境、コンタクトレンズなどの消費財の分野でもよく使用されるようになりました。それぞれの用途で、ハイドロゲルの機械的特性が要求されます。

ハイドロゲルにおけるナノインデンテーションの重要性

ハイドロゲルは、試験パラメータの選択や試料調製など、ナノインデンテーションにとってユニークな課題を生み出します。多くのナノインデンテーショ ンシステムは、元来、ナノインデンテーション用に設計されていないため、大きな制約があります。 このような柔らかい材料にナノインデンテーション装置の中には、コイルと磁石の組み合わせで試料に力を加えるものがあります。この場合、実際の力は測定されないため、軟質材料の試験では、不正確で非線形な荷重がかかります。 の材料を使用します。のため、接触点の判断は非常に難しい。 深度だけが実際に測定されるパラメータである。の傾斜の変化を観察することはほとんど不可能です。 深度 vs 時間 のプロットです。 圧子の先端がハイドロゲル材料に接近している期間。

これらのシステムの限界を克服するために、ナノモジュールの ナノビア メカニカルテスター 個別のロードセルを使用してフォース フィードバックを測定し、軟質または硬質を問わず、あらゆる種類の材料に対して高精度を保証します。ピエゾ制御による変位は非常に正確かつ高速です。これにより、コイル/磁石アセンブリを備え、力フィードバックがないシステムでは考慮する必要がある多くの理論的仮定が排除され、粘弾性特性の比類のない測定が可能になります。

測定目的

このアプリケーションでは ナノビア ハイドロゲルサンプルの硬度、弾性率、クリープを調べるために、ナノインデンテーション・モードのメカニカルテスターが使用されています。

ナノビア PB1000 メカニカルテスター

試験条件

を用いて、スライドガラス上に置いたハイドロゲル試料をナノインデンテーション法で試験した。 ナノビア メカニカルテスター。この柔らかい素材には、直径3mmの球状チップが使用されました。荷重は0.06から10mNまで荷重期間中に直線的に増加した。そして、最大荷重10mNで70秒間の圧痕深さの変化でクリープを測定した。

アプローチ速度 100μm/分

コンタクトロード
0.06 mN
最大負荷
10 mN
荷重レート

20 mN/min

クリープ
70 s
ハイドロゲル試験用圧痕

結果・考察

荷重と深さの時間経過に伴う変化を FUGURE 1.のプロット上では、「1.0」「2.0」「3.0」となっていることが観察されます。 深度 vs 時間そのため,通常,圧子が軟質材料に接触し始める指標となる荷重開始時の傾きの変化点を特定することは非常に困難である。しかし 負荷と時間 は、荷重をかけたときのハイドロゲルの特異な挙動を示している。ハイドロゲルがボール圧子に接触し始めると、ハイドロゲルはその表面張力によってボール圧子を引っ張り、表面積が減少する傾向がある。この挙動により、荷重の初期には負の荷重が測定されます。荷重は圧子がハイドロゲルに沈むにつれて徐々に増加し、その後、最大荷重10 mNで70秒間一定になるように制御し、ハイドロゲルのクリープ挙動を研究した。

ハイドロゲルの特性評価
ハイドロゲルのナノインデンテーション

図1: 荷重と深さの時間的変化。

のプロットです。 クリープ深度-時間 が表示されます。 図2を、そして 荷重-変位 に、ナノインデンテーション試験のプロットを示す。 図3.本研究のハイドロゲルは,Oliver-Pharr 法による荷重変位曲線から算出した硬度が 16.9 KPa,ヤング率が 160.2 KPa であった.

ハイドロゲルの機械的特性を研究する上で、クリープは重要なファクターです。ピエゾと超高感度ロードセル間のクローズドループフィードバック制御により、最大荷重でのクリープ時間中、真の一定荷重を保証します。に示すように 図23mmのボールチップで10mNの最大荷重をかけると、70秒でハイドロゲルがクリープして42μmほど収縮することがわかった。

ハイドロゲルの機械的試験

図2: 最大荷重10mNで70秒間クリープ。

ハイドロゲル耐久性試験

図3: ハイドロゲルの荷重対変位プロット。

まとめ

この研究で、私たちは以下のことを示しました。 ナノビア ナノインデンテーション・モードでは、ハイドロゲルの硬度、ヤング率、クリープなどの機械的特性を正確かつ繰り返し測定することが可能です。3mmの大きなボールチップにより、ハイドロゲル表面に対して適切な接触が得られます。高精度の電動ステージにより、ハイドロゲル試料の平らな面をボールチップの下に正確に位置決めすることができます。この研究で使用したハイドロゲルは、16.9 KPaの硬度と160.2 KPaのヤング係数を示しています。また、10 mN の荷重を 70 秒間かけたときのクリープ深さは約 42 μmであった。

ナノビア メカニカルテスターは、ナノとマイクロの多機能モジュールを1つのプラットフォームで提供します。スクラッチテスター、硬さ試験機、摩耗試験機の3つのモードがあり、1台で様々な試験を行うことができます。
のシステムです。

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ピストン磨耗試験

ピストン摩耗試験NANOVEA トライボメーターの使用

潤滑条件下でNANOVEAトライボメータを使用したピストン摩耗試験。.

作成者

フランク・リウ(FRANK LIU

ピストン摩耗試験とは?

ピストン摩耗試験は、管理された実験室条件下で、ピストンスカートとシリンダーライナー間の摩擦、潤滑、材料の耐久性を評価します。試験には トライボメータ, エンジニアは、実際の往復運動を再現し、摩擦係数、摩耗率、3次元表面形状を正確に測定することができます。これらの結果から、エンジンピストンに使用されるコーティング、潤滑剤、合金のトライボロジー挙動に関する重要な知見が得られ、性能、燃費、長期信頼性の最適化に役立ちます。.

摩耗試験中のピストンスカートとシリンダーライナーの潤滑界面を示す概略図

 パワーシリンダーシステムとピストンスカート-潤滑剤-シリンダーライナーの界面の概略図。

💡 サンプルの摩耗率と摩擦を定量化したいですか? お客様の用途に合わせたカスタムトライボロジー試験をご依頼ください。.

エンジン開発においてピストン摩耗試験が重要な理由

モーターオイルは、その用途に応じて設計された潤滑油である。ベースオイルに加え、洗浄剤、分散剤、粘度向上剤(VI)、耐摩耗剤・耐摩擦剤、腐食防止剤などの添加剤を加えて性能を高めている。これらの添加剤は、さまざまな運転条件下でのオイルの挙動に影響を与える。オイルの挙動はP-L-C界面に影響を与え、金属と金属の接触による著しい摩耗が発生するか、流体力学的潤滑(摩耗が非常に少ない)が発生するかを決定する。

P-L-Cのインターフェースは、その領域を外部変数から切り離さないと理解することが難しい。実際の用途を代表するような条件でシミュレーションを行う方が現実的です。その ナノビア トライボメータはこれに最適です。複数の力センサー、深度センサー、滴下式潤滑剤モジュール、直線往復ステージを搭載した ナノビア T2000 は、エンジンブロック内で発生する事象を忠実に模倣し、P-L-Cインターフェイスをより深く理解するための貴重なデータを得ることができる。.

ナノベア・トライボメータ・ピストン摩耗・摩擦試験モジュールのセットアップ

NANOVEA T2000トライボメータに搭載された液状モジュール

この研究には、ドロップバイドロップモジュールが非常に重要です。ピストンは非常に速い速度で動くため(3000rpm以上)、サンプルを浸して潤滑油の薄い膜を作ることは困難です。この問題を解決するために、滴下式モジュールはピストンスカートの表面に一定量の潤滑油を安定して塗布することができます。

また、新しい潤滑油を使用することで、外れた摩耗粉が潤滑油の特性に影響を与える心配もありません。

トライボメーターのシミュレーション
ピストンライナーの摩耗

本報告では、ピストンスカート-潤滑油-シリンダーライナーの界面について研究する。界面は,直線往復運動を行うことで再現される。 摩耗試験 滴下式潤滑モジュール付き。.

潤滑剤を室温と加温状態で塗布し、コールドスタートと最適な運転条件を比較する予定です。COFと摩耗率を観察し、実際の用途における界面の挙動をより深く理解します。

ナノビア T2000
高荷重トライボメータ

ピストン摩耗試験パラメータとセットアップ

LOAD 100 N

テスト期間 ............................30分

スピード ............................2000 rpm

アンプリチュード ............................10mm

トータルディスタンス 1200 m

スカートのコーティング ............................ポリグラファイト

ピン素材 ............................アルミニウム合金 5052

ピン径 ............................10mm

ルーブリック ............................モーターオイル (10W-30)

APPROX.フローレート ............................60 mL/min

温度 室温および90

実社会との関連性
ピストン磨耗試験

トライボメータを使用したピストン摩耗試験は、材料の選択や潤滑戦略が実際のエンジンの信頼性にどのような影響を与えるかについて、重要な洞察を提供します。高価なフルエンジン試験に頼る代わりに、試験所は現実的な機械的負荷と温度条件下でコーティング、オイル、合金表面を評価することができます。NANOVEAの 3D形状測定 とトライボロジーモジュールは、摩耗深さと摩擦安定性の正確なマッピングを可能にし、研究開発チームが性能を最適化し、開発サイクルを短縮するのに役立ちます。.

ピストン摩耗試験結果と分析

トライボメータ潤滑摩耗試験によるピストン摩耗痕の比較

この実験では、A5052をカウンター材として使用した。エンジンブロックは通常A356のような鋳造アルミニウムで作られているが、A5052はこの模擬試験のためにA356に近い機械的特性を有している[1]。.

試験条件下では、90℃の場合と比較して、室温ではピストンスカートに著しい摩耗が観察された。サンプルに見られる深い傷は、静止材料とピストンスカートとの接触が試験中頻繁に発生していることを示唆している。室温では粘度が高いため、オイルが界面の隙間を完全に埋めることができず、金属と金属が接触している可能性がある。高温では、オイルは薄くなり、ピンとピストンの間を流れることができる。その結果、高温では摩耗が著しく少なくなる。図5は、摩耗痕の片側がもう片側よりも著しく摩耗が少ないことを示している。これは、オイル出力の位置による可能性が高い。潤滑油の膜厚が片側でもう片側より厚く、不均一な摩耗を引き起こした。.

[1] “5052アルミニウム対356.0アルミニウム”MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum

直線往復運動のトライボロジー試験のCOFは、ハイパスとローパスに分けることができます。ハイパスとは、試料が正方向に動くこと、ローパスとは、試料が逆方向に動くことを指す。RTオイルの平均COFは、両方向とも0.1未満であることが確認された。パス間の平均COFは、0.072と0.080であった。90℃オイルの平均COFは、パス間で異なることが確認された。平均 COF 値は 0.167 と 0.09 が観測された。このCOFの差は、オイルがピンの片側しか適切に濡らすことができなかったことをさらに証明するものである。ピンとピストンスカートの間に厚い膜が形成され、流体力学的な潤滑が発生した場合、高いCOFが得られた。一方、混合潤滑が発生している場合は、COFが低くなることが確認された。動圧潤滑と混合潤滑の詳細については、アプリケーションノートをご覧ください。 ストリベックカーブ.
潤滑ピストン摩耗試験による摩擦係数と摩耗率の結果

表1: ピストンの潤滑式摩耗試験結果。

室温におけるピストン摩耗試験の摩擦係数グラフ。

図1: 常温油膜摩耗試験におけるCOFグラフ A生プロファイル Bハイパス Cローパス

90℃におけるピストン摩耗試験の摩擦係数グラフ。

図2: 90℃摩耗油テストのCOFグラフ A raw profile B high pass C low pass.

常温モーターオイル摩耗試験によるピストン摩耗痕の光学顕微鏡写真

図3: RTモーターオイルの摩耗試験による摩耗痕の光学画像。

トライボロジー解析のために浮き彫りにされた局所的な摩耗痕を示すピストン表面
トライボメーター試験によるピストン摩耗痕の体積と深さの分析

図4: RTモーターオイルの摩耗試験による摩耗痕の穴埋め解析の巻。

摩耗の深さと粗さを示すピストン摩耗痕の3D表面形状測定スキャン

図5: RTモーターオイルの摩耗試験による摩耗痕のプロフィロメトリースキャン。

モーターオイル90度摩耗試験によるピストン摩耗痕の光学顕微鏡写真

図6: 90℃モーターオイル摩耗試験による摩耗痕の光学像

トライボメーターによるピストン摩耗試験で分析された摩耗ゾーンを示すピストンスカート
90度モーターオイル・トライボメーター試験によるピストン摩耗痕の体積と深さの測定

図7: 90℃モーターオイル摩耗試験による摩耗痕の穴埋め解析のボリューム。

3D表面形状測定による、90度モーターオイル摩耗試験によるピストン摩耗痕のスキャン。

図8: 90℃のモーターオイル摩耗試験による摩耗痕のプロフィロメトリースキャン。

結論NANOVEAトライボメータによるエンジン摩耗評価

実稼働エンジンで発生する事象をシミュレートするため、ピストンに対して潤滑リニア往復摩耗試験を実施した。ピストンスカート-潤滑油-シリンダライナーの界面は、エンジンの運転にとって極めて重要です。界面における潤滑油の膜厚は、ピストンスカートとシリンダーライナー間の摩擦や摩耗によるエネルギー損失の原因となります。エンジンを最適化するためには、ピストンスカートとシリンダーライナーが接触することなく、膜厚をできるだけ薄くする必要があります。しかし、温度、速度、力の変化がP-L-C界面にどのような影響を与えるかが課題です。.

NANOVEA T2000トライボメータは、荷重(最大2000N)と回転数(最大15000rpm)の範囲が広いため、エンジンで起こりうるさまざまな条件をシミュレートすることができます。将来的には、定荷重、振動荷重、潤滑油の温度、回転数、潤滑油の塗布方法が異なる場合に、P-L-C界面がどのような挙動を示すかを研究することができます。これらのパラメータは、NANOVEA T2000トライボメータで簡単に調整できるため、ピストンスカート-潤滑剤-シリンダーライナー界面のメカニズムを完全に理解することができます。

ℹ️ ブレーキパッドのテストに興味がありますか?ブレーキパッドのテストについて ブレーキ摩擦試験機 パッド、ライニング、自動車研究開発向け。.

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