하이드로겔의 기계적 특성

소개

점탄성 소재는 점성과 탄성 소재 특성을 모두 가지고 있는 것이 특징입니다. 이러한 소재는 일정한 변형 하에서 시간에 따른 응력 감소(응력 '이완')가 발생하여 초기 접촉력이 크게 손실될 수 있습니다. 응력 이완은 재료의 유형, 질감, 온도, 초기 응력 및 시간에 따라 달라집니다. 응력 이완을 이해하는 것은 특정 용도에 필요한 강도와 유연성(이완)을 갖춘 최적의 소재를 선택하는 데 매우 중요합니다.

스트레스 이완 측정의 중요성

ASTM E328i, "재료 및 구조물의 응력 이완을 위한 표준 시험 방법"에 따라, 압자를 사용하여 재료 또는 구조물에 미리 정해진 최대 힘에 도달할 때까지 처음에는 외력을 가합니다. 최대 힘에 도달하면 압자의 위치는 이 깊이에서 일정하게 유지됩니다. 그런 다음 압자의 위치를 유지하는 데 필요한 외력의 변화를 시간에 따른 함수로 측정합니다. 응력 이완 테스트의 어려움은 깊이를 일정하게 유지하는 것입니다. 나노베아 기계식 테스터의 나노 인덴테이션 모듈은 압전 액추에이터로 깊이에 대한 폐쇄형(피드백) 루프 제어를 적용하여 응력 이완을 정확하게 측정합니다. 액추에이터는 실시간으로 반응하여 깊이를 일정하게 유지하며, 고감도 하중 센서가 하중 변화를 측정하고 기록합니다. 이 테스트는 엄격한 샘플 치수 요구 사항 없이 거의 모든 유형의 재료에 대해 수행할 수 있습니다. 또한 단일 평면 시료에 대해 여러 테스트를 수행하여 테스트 반복성을 보장할 수 있습니다.

측정 목표

이 응용 분야에서 Nanovea Mechanical Tester의 나노인덴테이션 모듈은 아크릴 및 구리 샘플의 응력 완화 동작을 측정합니다. 나노베아(Nanovea)를 선보입니다. 기계 테스터 폴리머 및 금속 재료의 시간에 따른 점탄성 거동을 평가하는 데 이상적인 도구입니다.

테스트 조건

아크릴과 구리 시료의 응력 완화는 나노베아 메카니컬 테스터의 나노 압입 모듈로 측정했습니다. 1 ~ 10 µm/분 범위의 다양한 압입 하중 속도가 적용되었습니다. 목표 최대 하중에 도달하면 고정된 깊이에서 이완을 측정했습니다. 고정 깊이에서 100초의 유지 기간을 구현하고 유지 시간이 경과함에 따라 하중의 변화를 기록했습니다. 모든 테스트는 주변 조건(실온 23°C)에서 수행되었으며 압입 테스트 매개변수는 표 1에 요약되어 있습니다.

결과 및 토론

그림 2 은 아크릴 시료의 응력 완화 측정 중 시간에 따른 변위 및 하중의 변화와 3µm/min의 압입 하중 속도를 예로 보여줍니다. 이 테스트의 전체 과정은 세 단계로 나눌 수 있습니다: 로딩, 이완 및 언로딩. 로딩 단계에서는 하중이 점진적으로 증가함에 따라 깊이가 선형적으로 증가했습니다. 최대 하중에 도달하면 이완 단계가 시작되었습니다. 이 단계에서는 계측기의 폐쇄 피드백 루프 수심 제어 기능을 사용하여 100초 동안 일정한 수심을 유지했으며 시간이 지남에 따라 하중이 감소하는 것을 관찰했습니다. 전체 테스트는 아크릴 샘플에서 압자를 제거하기 위한 언로딩 단계로 마무리되었습니다.

동일한 압자 하중 속도를 사용하되 이완(크리프) 기간을 제외한 추가 압자 테스트를 수행했습니다. 이러한 테스트에서 하중 대 변위 플롯을 획득하여 아크릴 및 구리 샘플에 대한 그림 3의 그래프에 결합했습니다. 압자 로딩 속도가 10µm/min에서 1µm/min으로 감소함에 따라 하중-변위 곡선은 아크릴과 구리 모두에서 더 높은 침투 깊이를 향해 점진적으로 이동했습니다. 이러한 시간 의존적 변형률 증가는 재료의 점탄성 크리프 효과로 인해 발생합니다. 하중 속도가 낮을수록 점탄성 소재가 외부 응력에 반응하고 그에 따라 변형할 수 있는 시간이 더 길어집니다.

다양한 압입 하중 속도를 사용하여 일정한 변형률에서 하중의 변화를 테스트한 두 재료에 대해 그림 4에 표시했습니다. 하중은 테스트의 이완 단계(100초 유지 기간)의 초기 단계에서 더 빠른 속도로 감소했으며 유지 시간이 최대 50초에 도달하면 속도가 느려졌습니다. 폴리머 및 금속과 같은 점탄성 소재는 압입 하중이 높을 때 하중 손실률이 더 크게 나타납니다. 압입 하중 속도가 1에서 10µm/min으로 증가함에 따라 이완 중 하중 손실률은 아크릴의 경우 51.5에서 103.2mN으로, 구리의 경우 15.0에서 27.4mN으로 각각 증가했으며, 이는 다음과 같이 요약할 수 있습니다. 그림 5.

ASTM 표준 E328ii에서 언급했듯이 응력 완화 테스트에서 발생하는 주요 문제는 기기가 일정한 변형률/깊이를 유지하지 못한다는 것입니다. 나노베아 기계식 테스터는 고속 작동 압전 액추에이터와 독립 커패시터 깊이 센서 사이의 깊이에 대한 폐쇄 피드백 루프 제어를 적용할 수 있기 때문에 매우 정확한 응력 완화 측정값을 제공합니다. 이완 단계 동안 압전 액추에이터는 압자를 조정하여 실시간으로 일정한 깊이 제약을 유지하며, 독립적인 고정밀 하중 센서가 하중 변화를 측정하고 기록합니다.

결론

아크릴과 구리 시료의 응력 완화는 다양한 하중 속도에서 나노베아 기계 시험기의 나노인덴테이션 모듈을 사용하여 측정되었습니다. 하중을 가하는 동안 재료의 크리프 효과로 인해 낮은 하중 속도로 압입을 수행하면 더 큰 최대 깊이에 도달할 수 있습니다. 아크릴과 구리 시료 모두 목표 최대 하중에서 압흔 위치를 일정하게 유지하면 응력 완화 거동을 나타냅니다. 압입 하중 속도가 높은 테스트에서 이완 단계 동안 하중 손실의 더 큰 변화가 관찰되었습니다.

나노베아 기계식 테스터가 생산하는 응력 완화 테스트는 폴리머 및 금속 재료의 시간 의존적 점탄성 거동을 정량화하고 안정적으로 측정할 수 있는 계측기 기능을 보여줍니다. 이 제품은 단일 플랫폼에 타의 추종을 불허하는 다기능 나노 및 마이크로 모듈을 갖추고 있습니다. 습도 및 온도 제어 모듈을 이 기기와 함께 사용하면 다양한 산업에 적용할 수 있는 환경 테스트 기능을 사용할 수 있습니다. 나노 및 마이크로 모듈에는 스크래치 테스트, 경도 테스트, 마모 테스트 모드가 포함되어 있어 단일 시스템에서 가장 광범위하고 사용자 친화적인 기계 테스트 기능을 제공합니다.