PL 
EN 
ES 
DE 
FR 
IT 
ZH 
JA 
PT 
TR 
KO 
AR Archiwa miesiąca: listopad 2019
Tribologia polimerów
Wstęp
Polimery mają szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach i stały się nieodzowną częścią życia codziennego. Polimery naturalne, takie jak bursztyn, jedwab i kauczuk naturalny, odegrały istotną rolę w historii ludzkości. Proces wytwarzania polimerów syntetycznych może być zoptymalizowany w celu uzyskania unikalnych właściwości fizycznych, takich jak wytrzymałość, lepkosprężystość, samosmarowność i wiele innych.
Znaczenie zużycia i tarcia polimerów
Polimery są powszechnie stosowane w aplikacjach trybologicznych, takich jak opony, łożyska i taśmy transportowe.
W zależności od właściwości mechanicznych polimeru, warunków kontaktu oraz właściwości pozostałości lub filmu transferowego powstałego w procesie zużycia, występują różne mechanizmy zużycia. Aby zapewnić, że polimery posiadają wystarczającą odporność na zużycie w warunkach eksploatacji, konieczna jest wiarygodna i wymierna ocena tribologiczna. Ocena tribologiczna pozwala nam na ilościowe porównanie zachowania się różnych polimerów pod względem zużycia w sposób kontrolowany i monitorowany, aby wybrać materiał kandydujący do docelowego zastosowania.
Tribometr Nanovea oferuje powtarzalne badania zużycia i tarcia z wykorzystaniem trybów obrotowych i liniowych zgodnych z normami ISO i ASTM, z opcjonalnymi modułami zużycia w wysokiej temperaturze i smarowania dostępnymi w jednym wstępnie zintegrowanym systemie. Ten niezrównany zakres pozwala użytkownikom symulować różne środowiska pracy polimerów, w tym skoncentrowane naprężenia, zużycie i wysoką temperaturę, itp.
CEL POMIARU
W tym badaniu wykazaliśmy, że Nanovea Tribometr jest idealnym narzędziem do porównywania odporności na tarcie i zużycie różnych polimerów w dobrze kontrolowany i ilościowy sposób.
PROCEDURA TESTOWA
Za pomocą Tribometru Nanovea oceniono współczynnik tarcia (COF) i odporność na zużycie różnych popularnych polimerów. Jako materiał licznika (szpilka, próbka statyczna) zastosowano kulkę Al2O3. Ślady zużycia polimerów (dynamicznie obracające się próbki) mierzono za pomocą a bezkontaktowy profilometr 3D i mikroskop optyczny po zakończeniu badań. Należy zauważyć, że opcjonalnie można zastosować bezdotykowy czujnik endoskopowy do pomiaru głębokości, na jaką pin wnika w próbkę dynamiczną podczas testu zużycia. Parametry badania podsumowano w tabeli 1. Szybkość zużycia K oszacowano za pomocą wzoru K=Vl(Fxs), gdzie V to objętość zużycia, F to normalne obciążenie, a s to droga poślizgu.
Należy pamiętać, że w tym badaniu jako materiał przeciwny zastosowano kulki Al2O3. Każdy materiał stały może być zastąpiony w celu dokładniejszej symulacji działania dwóch próbek w rzeczywistych warunkach zastosowania.
WYNIKI I DYSKUSJA
Szybkość zużycia jest istotnym czynnikiem określającym czas użytkowania materiałów, natomiast tarcie odgrywa krytyczną rolę podczas zastosowań tribologicznych. Na rysunku 2 porównano ewolucję współczynnika COF dla różnych polimerów względem kulki Al2O3 podczas testów zużycia. COF działa jako wskaźnik, kiedy dochodzi do awarii i proces zużycia wchodzi w nowy etap. Spośród badanych polimerów, HDPE utrzymuje najniższy stały COF wynoszący ~0,15 podczas całego testu zużycia. Gładki COF sugeruje, że tworzy się stabilny tribo-kontakt.
Rysunek 3 i rysunek 4 porównują ślady zużycia próbek polimerowych po badaniu mierzonym przez mikroskop optyczny. Bezkontaktowy profilometr 3D In-situ dokładnie określa objętość zużycia próbek polimerowych, umożliwiając dokładne obliczenie wskaźników zużycia odpowiednio 0,0029, 0,0020 i 0,0032m3/N m. Dla porównania, próbka CPVC wykazuje najwyższy współczynnik zużycia 0,1121m3/N m. Głębokie równoległe blizny zużycia są obecne w śladach zużycia CPVC.
PODSUMOWANIE
Odporność polimerów na zużycie odgrywa istotną rolę w ich wydajności użytkowej. W tej pracy pokazaliśmy, że Tribometr Nanovea ocenia współczynnik tarcia i szybkość zużywania się różnych polimerów w sposób następujący
w sposób dobrze kontrolowany i ilościowy. HDPE wykazuje najniższy współczynnik COF wynoszący ~0,15 wśród badanych polimerów. Próbki HDPE, Nylonu 66 i Polipropylenu charakteryzują się niskimi wskaźnikami zużycia wynoszącymi odpowiednio 0.0029, 0.0020 i 0.0032 m3/N m. Połączenie niskiego tarcia i dużej odporności na zużycie czyni HDPE dobrym kandydatem do zastosowań tribologicznych polimerów.
Bezkontaktowy profilometr 3D In-situ umożliwia precyzyjny pomiar objętości zużycia i oferuje narzędzie do analizy szczegółowej morfologii śladów zużycia, zapewniając większy wgląd w podstawowe zrozumienie mechanizmów zużycia.
TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI
Wykończenie powierzchni płyty o strukturze plastra miodu za pomocą profilometrii 3D
WPROWADZENIE
Chropowatość, porowatość i tekstura powierzchni panelu o strukturze plastra miodu są krytyczne dla ostatecznego projektu panelu. Te cechy powierzchni mogą być bezpośrednio skorelowane z estetyką i charakterystyką funkcjonalną powierzchni panelu. Lepsze zrozumienie tekstury powierzchni i porowatości może pomóc w optymalizacji obróbki powierzchni płyty i jej produkcji. Ilościowy, precyzyjny i wiarygodny pomiar powierzchni panelu o strukturze plastra miodu jest potrzebny do kontroli parametrów powierzchni dla wymagań aplikacji i malowania. Czujniki Nanovea 3D Non-Contact wykorzystują unikalną chromatyczną technologię konfokalną zdolną do precyzyjnego pomiaru powierzchni tych paneli.
CEL POMIARU
W tym badaniu platforma Nanovea HS2000 wyposażona w szybki czujnik liniowy została wykorzystana do pomiaru i porównania dwóch paneli o strukturze plastra miodu o różnych wykończeniach powierzchni. Przedstawiamy Nanoveę profilometr bezkontaktowyzdolność firmy do zapewnienia szybkich i precyzyjnych pomiarów profilowania 3D oraz kompleksowej, dogłębnej analizy wykończenia powierzchni.
WYNIKI I DYSKUSJA
Zmierzono powierzchnię dwóch próbek płyt o strukturze plastra miodu o zróżnicowanym wykończeniu powierzchni, mianowicie Próbki 1 i Próbki 2. Fałszywy kolor i widok 3D powierzchni próbek 1 i 2 są pokazane odpowiednio na rysunku 3 i rysunku 4. Wartości chropowatości i płaskości zostały obliczone przez zaawansowane oprogramowanie analityczne i są porównane w tabeli 1. Próbka 2 wykazuje bardziej porowatą powierzchnię w porównaniu z próbką 1. W rezultacie próbka 2 ma wyższą chropowatość Sa, wynoszącą 14,7 µm, w porównaniu z wartością Sa wynoszącą 4,27 µm dla próbki 1.
Profile 2D powierzchni płyt o strukturze plastra miodu zostały porównane na rysunku 5, co pozwala użytkownikom na wizualne porównanie zmiany wysokości w różnych miejscach powierzchni próbki. Możemy zauważyć, że próbka 1 ma zmianę wysokości ~25 µm pomiędzy najwyższym szczytem a najniższą doliną. Z drugiej strony, próbka 2 wykazuje kilka głębokich porów w całym profilu 2D. Zaawansowane oprogramowanie analityczne ma możliwość automatycznego zlokalizowania i zmierzenia głębokości sześciu stosunkowo głębokich porów, jak pokazano w tabeli na Rysunku 4.b Próbka 2. Najgłębszy por spośród tych sześciu ma maksymalną głębokość prawie 90 µm (Krok 4).
Aby dokładniej zbadać wielkość i rozkład porów w próbce 2, przeprowadzono ocenę porowatości, którą omówiono w dalszej części artykułu. Widok próbki w plasterkach pokazano na Rysunku 5, a wyniki podsumowano w Tabeli 2. Można zauważyć, że pory, zaznaczone niebieskim kolorem na rysunku 5, mają stosunkowo jednorodne rozmieszczenie na powierzchni próbki. Rzutowana powierzchnia porów stanowi 18,9% całej powierzchni próbki. Objętość na mm² całkowitej powierzchni porów wynosi ~0,06 mm³. Pory mają średnią głębokość 42,2 µm, a maksymalna głębokość wynosi 108,1 µm.
PODSUMOWANIE
W tej aplikacji pokazaliśmy, że platforma Nanovea HS2000 wyposażona w szybki czujnik liniowy jest idealnym narzędziem do analizy i porównywania wykończenia powierzchni próbek płyt o strukturze plastra miodu w szybki i dokładny sposób. Skany profilometrii o wysokiej rozdzielczości sparowane z zaawansowanym oprogramowaniem analitycznym pozwalają na kompleksową i ilościową ocenę wykończenia powierzchni próbek płyt o strukturze plastra miodu.
Przedstawione tu dane stanowią jedynie niewielką część obliczeń dostępnych w oprogramowaniu analitycznym. Profilometry Nanovea mierzą praktycznie każdą powierzchnię w szerokim zakresie zastosowań w przemyśle półprzewodnikowym, mikroelektronicznym, słonecznym, światłowodowym, motoryzacyjnym, lotniczym, metalurgicznym, obróbce mechanicznej, powłokach, przemyśle farmaceutycznym, biomedycznym, środowiskowym i wielu innych.
TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI
Pomiar relaksacji naprężeń za pomocą nanoindentacji
WPROWADZENIE
Materiały lepkosprężyste charakteryzują się tym, że posiadają zarówno lepkie, jak i sprężyste właściwości materiałowe. Materiały te podlegają zależnemu od czasu zmniejszeniu naprężenia ("relaksacja" naprężenia) przy stałym naprężeniu, co prowadzi do znacznej utraty początkowej siły kontaktu. Relaksacja naprężeń zależy od rodzaju materiału, tekstury, temperatury, naprężenia początkowego i czasu. Zrozumienie relaksacji naprężeń jest kluczowe w wyborze optymalnych materiałów, które mają wytrzymałość i elastyczność (relaksację) wymaganą w konkretnych zastosowaniach.
Znaczenie pomiaru relaksacji stresu
Zgodnie z normą ASTM E328i "Standardowe metody testowania relaksacji naprężeń w materiałach i strukturach", zewnętrzna siła jest początkowo przykładana do materiału lub struktury za pomocą wgłębnika, aż do osiągnięcia wcześniej określonej maksymalnej siły. Po osiągnięciu maksymalnej siły, pozycja wgłębnika jest utrzymywana na stałej głębokości. Następnie mierzona jest zmiana siły zewnętrznej niezbędnej do utrzymania pozycji wgłębnika w funkcji czasu. Trudność w testowaniu relaksacji naprężeń polega na utrzymaniu stałej głębokości. Tester mechaniczny Nanovea nanoindentacja Moduł dokładnie mierzy relaksację naprężeń poprzez zastosowanie zamkniętej pętli (sprzężenia zwrotnego) kontroli głębokości za pomocą siłownika piezoelektrycznego. Siłownik reaguje w czasie rzeczywistym, aby utrzymać stałą głębokość, podczas gdy zmiana obciążenia jest mierzona i rejestrowana przez bardzo czuły czujnik obciążenia. Test ten może być przeprowadzony na praktycznie wszystkich rodzajach materiałów, bez konieczności spełniania rygorystycznych wymagań dotyczących wymiarów próbki. Ponadto na jednej płaskiej próbce można przeprowadzić wiele testów, aby zapewnić powtarzalność badania
CEL POMIARU
W tym zastosowaniu moduł nanoindentacji testera mechanicznego Nanovea mierzy zachowanie relaksacji naprężeń próbki akrylu i miedzi. Przedstawiamy tę Nanoveę Tester mechaniczny jest idealnym narzędziem do oceny zależnego od czasu zachowania lepkosprężystego materiałów polimerowych i metalowych.
WARUNKI BADANIA
Za pomocą modułu nanoindentacji Nanovea Mechanical Tester zmierzono relaksację naprężeń w próbce akrylowej i miedzianej. Zastosowano różne szybkości obciążenia wgłębnego w zakresie od 1 do 10 µm/min. Po osiągnięciu docelowego maksymalnego obciążenia mierzono relaksację na ustalonej głębokości. Zastosowano 100 sekundowy okres zatrzymania na stałej głębokości, a zmiana obciążenia była rejestrowana w miarę upływu czasu zatrzymania. Wszystkie badania przeprowadzono w warunkach otoczenia (temperatura pokojowa 23 °C), a parametry próby wgniatania zestawiono w tabeli 1.
WYNIKI I DYSKUSJA
Rysunek 2 przedstawia ewolucję przemieszczenia i obciążenia w funkcji czasu podczas pomiaru relaksacji naprężeń dla próbki akrylowej i przykładowej prędkości obciążania wgłębnika 3 µm/min. Całość tego badania można podzielić na trzy etapy: Loading, Relaxation i Unloading. Podczas etapu obciążenia, głębokość liniowo wzrastała wraz z postępującym wzrostem obciążenia. Etap relaksacji rozpoczyna się po osiągnięciu maksymalnego obciążenia. Podczas tego etapu utrzymywano stałą głębokość przez 100 sekund, wykorzystując funkcję kontroli głębokości z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego. Cała próba zakończyła się etapem rozładowania w celu usunięcia wgłębnika z próbki akrylowej.
Przeprowadzono dodatkowe próby wgniatania z zastosowaniem tych samych prędkości obciążenia wgłębnika, ale z wyłączeniem okresu relaksacji (pełzania). Z tych badań uzyskano wykresy zależności obciążenia od przemieszczenia, które połączono w wykresy na rysunku 3 dla próbek akrylowych i miedzianych. W miarę zmniejszania szybkości obciążania wgłębnika z 10 do 1 µm/min, krzywa obciążenie-przemieszczenie przesuwała się stopniowo w kierunku większych głębokości penetracji zarówno dla akrylu jak i miedzi. Taki zależny od czasu wzrost odkształcenia wynika z efektu lepkosprężystego pełzania materiałów. Niższa prędkość obciążenia pozwala materiałowi lepkosprężystemu mieć więcej czasu na reakcję na naprężenia zewnętrzne, których doświadcza i odpowiednio się odkształcić...
Na rysunku 4 przedstawiono ewolucję obciążenia przy stałym odkształceniu z zastosowaniem różnych szybkości obciążania wgłębnego dla obu badanych materiałów. Obciążenie malało z większą prędkością we wczesnych etapach relaksacji (100-sekundowy okres wstrzymania) badań i zwolniło po osiągnięciu czasu wstrzymania ~50 sekund. Materiały lepkosprężyste, takie jak polimery i metale, wykazują większą szybkość utraty obciążenia, gdy są poddawane wyższym wartościom obciążenia wgłębnego. Szybkość utraty obciążenia podczas relaksacji wzrosła z 51,5 do 103,2 mN dla akrylu i z 15,0 do 27,4 mN dla miedzi, odpowiednio, gdy szybkość obciążenia wgłębnika wzrosła z 1 do 10 µm/min, jak podsumowano w Rysunek 5.
Jak wspomniano w normie ASTM E328ii, głównym problemem napotykanym w badaniach relaksacji naprężeń jest niemożność utrzymania przez urządzenie stałej wartości odkształcenia/głębokości. Tester mechaniczny Nanovea zapewnia bardzo dokładne pomiary relaksacji naprężeń dzięki możliwości zastosowania zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego sterującego głębokością pomiędzy szybko działającym siłownikiem piezoelektrycznym a niezależnym kondensatorowym czujnikiem głębokości. Podczas etapu relaksacji, piezoelektryczny siłownik reguluje wgłębnik w celu utrzymania stałej głębokości w czasie rzeczywistym, podczas gdy zmiana obciążenia jest mierzona i rejestrowana przez niezależny, precyzyjny czujnik obciążenia.
PODSUMOWANIE
Za pomocą modułu nanoindentacji Nanovea Mechanical Tester zmierzono relaksację naprężeń w próbce akrylowej i miedzianej przy różnych prędkościach obciążenia. Większa głębokość maksymalna jest osiągana podczas wgłębiania przy niższych prędkościach obciążania ze względu na efekt pełzania materiału podczas obciążania. Zarówno próbka akrylowa jak i miedziana wykazują zachowanie relaksacyjne, gdy pozycja wgłębnika przy docelowym maksymalnym obciążeniu jest utrzymywana na stałym poziomie. Większe zmiany strat obciążenia w fazie relaksacji zaobserwowano dla prób z wyższymi prędkościami obciążenia wgłębnika.
Testy relaksacji naprężeń wykonane przez Nanovea Mechanical Tester pokazują zdolność urządzenia do ilościowego i wiarygodnego pomiaru zależnego od czasu zachowania lepkosprężystego materiałów polimerowych i metalowych. Posiada niezrównaną wielofunkcyjność modułów Nano i Micro na jednej platformie. Moduły kontroli wilgotności i temperatury mogą być sparowane z tymi urządzeniami w celu zapewnienia możliwości prowadzenia badań środowiskowych w szerokim zakresie branż. Zarówno moduły Nano jak i Micro zawierają tryby do badania zarysowań, twardości i zużycia, zapewniając najszerszy i najbardziej przyjazny dla użytkownika zakres możliwości badań mechanicznych dostępnych w jednym urządzeniu.
