USA/GLOBALNE: +1-949-461-9292
EUROPA: +39-011-3052-794
pl_PL PL
pl_PL PL en_US EN es_MX ES de_DE DE fr_FR FR it_IT IT zh_CN ZH ja JA pt_BR PT tr_TR TR ko_KR KO ar AR
KONTAKT

Archiwa miesiąca: wrzesień 2021

Właściwości mechaniczne hydrożelu

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE HYDROŻELU

PRZY UŻYCIU NANOINDENTACJI

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE HYDROŻELU

Przygotowane przez

DUANJIE LI, dr i JORGE RAMIREZ

WPROWADZENIE

Hydrożel znany jest ze swojej super chłonności wody, pozwalającej na bliskie podobieństwo elastyczności do naturalnych tkanek. To podobieństwo sprawiło, że hydrożel stał się powszechnym wyborem nie tylko w biomateriałach, ale także w elektronice, ochronie środowiska i zastosowaniach konsumenckich, takich jak soczewki kontaktowe. Każda unikalna aplikacja wymaga specyficznych właściwości mechanicznych hydrożelu.

ZNACZENIE NANOINDENTACJI DLA HYDROŻELU

Hydrożele stanowią wyjątkowe wyzwanie dla badań metodą nanoindentacji, takie jak dobór parametrów badań i przygotowanie próbek. Wiele systemów do badań metodą nanoindentacji posiada poważne ograniczenia, ponieważ nie zostały one zaprojektowane z myślą o zastosowaniu w badaniach hydrożeli. tak miękkich materiałów. Niektóre systemy nanoindentacji wykorzystują zespół cewka/magnes do przyłożenia siły do próbki. Nie ma pomiaru rzeczywistej siły, co prowadzi do niedokładnego i nieliniowego obciążenia podczas badania miękkich materiałów. materiały. Określenie punktu styku jest niezwykle trudne, ponieważ Głębokość jest jedynym parametrem faktycznie mierzonym. Niemal niemożliwe jest zaobserwowanie zmiany nachylenia w Głębokość a czas działka podczas okres, w którym końcówka wgłębnika zbliża się do materiału hydrożelowego.

W celu przezwyciężenia ograniczeń tych systemów, nano moduł NANOVEA Tester mechaniczny mierzy sprzężenie zwrotne siły za pomocą indywidualnego ogniwa obciążnikowego, aby zapewnić wysoką dokładność na wszystkich rodzajach materiałów, miękkich i twardych. Przemieszczenie sterowane piezoelektrycznie jest niezwykle precyzyjne i szybkie. Umożliwia to niezrównany pomiar właściwości lepkosprężystych poprzez wyeliminowanie wielu założeń teoretycznych, które muszą uwzględniać systemy z zespołem cewki/magnesu i bez sprzężenia zwrotnego siły.

CEL POMIARU

W tej aplikacji NANOVEA Tester mechaniczny, w trybie nanoindentacji, służy do badania twardości, modułu sprężystości i pełzania próbki hydrożelowej.

NANOVEA PB1000 Tester mechaniczny

POBIERZ BROSZURĘ
ZADAJ PYTANIE
Nanoindenter i tester zarysowań Nanovea PB1000

WARUNKI BADANIA

Próbkę hydrożelu umieszczoną na szklanym szkiełku badano techniką nanoindentacji przy użyciu NANOVEA Tester mechaniczny. Dla tego miękkiego materiału zastosowano końcówkę sferyczną o średnicy 3 mm. Obciążenie liniowo wzrastało od 0,06 do 10 mN podczas okresu obciążania. Następnie mierzono pełzanie na podstawie zmiany głębokości wgłębienia przy maksymalnym obciążeniu 10 mN przez 70 sekund.

PRĘDKOŚĆ ZBLIŻANIA SIĘ: 100 μm/min

ŁADUNEK KONTAKTOWY
0,06 mN
OBCIĄŻENIE MAKSYMALNE
10 mN
PRĘDKOŚĆ ZAŁADUNKU

20 mN/min

CREEP
70 s
Testy hydrożelu – wgłębienie

WYNIKI I DYSKUSJA

Ewolucja obciążenia i głębokości w funkcji czasu została przedstawiona w FUGURA 1. Można zauważyć, że na wykresie dot. Głębokość a czas, bardzo trudno jest określić punkt zmiany nachylenia na początku okresu obciążenia, który zwykle sprawdza się jako wskazówka, gdzie wgłębnik zaczyna stykać się z miękkim materiałem. Jednakże, wykres Obciążenie w zależności od czasu pokazuje osobliwe zachowanie hydrożelu pod wpływem przyłożonego obciążenia. Gdy hydrożel zaczyna stykać się z wgłębnikiem kulistym, z powodu napięcia powierzchniowego hydrożel ciągnie wgłębnik kulisty, co powoduje zmniejszenie jego powierzchni. Takie zachowanie prowadzi do ujemnego zmierzonego obciążenia na początku etapu obciążania. Obciążenie stopniowo wzrasta, gdy wgłębnik zagłębia się w hydrożel, a następnie jest kontrolowane, aby było stałe przy maksymalnym obciążeniu 10 mN przez 70 sekund w celu zbadania zachowania hydrożelu podczas pełzania.

charakterystyka hydrożelu
nanoindentacja hydrożeli

RYSUNEK 1: Ewolucja obciążenia i głębokości w funkcji czasu.

Działka o pow. Głębokość pełzania w funkcji czasu zaznaczono w RYSUNEK 2, oraz Obciążenie a przemieszczenie wykres badania metodą nanoindentacji pokazany jest w RYSUNEK 3. Hydrożel w tej pracy posiada twardość 16,9 KPa i moduł Younga 160,2 KPa, obliczone na podstawie krzywej przemieszczenia obciążenia metodą Olivera-Pharra.

Pełzanie jest ważnym czynnikiem w badaniach właściwości mechanicznych hydrożelu. Sterowanie w ścisłej pętli sprzężenia zwrotnego pomiędzy piezoelementem a ultraczułym ogniwem obciążnikowym zapewnia rzeczywiste stałe obciążenie w czasie pełzania przy maksymalnym obciążeniu. Jak pokazano w RYSUNEK 2, hydrożel ustępuje ~42 μm w wyniku pełzania w ciągu 70 sekund pod maksymalnym obciążeniem 10 mN przyłożonym przez końcówkę kulkową 3 mm.

badania mechaniczne hydrożeli

RYSUNEK 2: Pełzanie przy maksymalnym obciążeniu 10 mN przez 70 sekund.

badanie trwałości hydrożelu

RYSUNEK 3: Wykres zależności obciążenia od przemieszczenia hydrożelu.

PODSUMOWANIE

W tym badaniu wykazaliśmy, że NANOVEA Tester mechaniczny, w trybie nanoindentacji, zapewnia precyzyjny i powtarzalny pomiar właściwości mechanicznych hydrożelu, w tym twardości, modułu Younga i pełzania. Duża 3 mm końcówka kulkowa zapewnia prawidłowy kontakt z powierzchnią hydrożelu. Wysokoprecyzyjny zmotoryzowany statyw do próbek umożliwia dokładne pozycjonowanie płaskiej powierzchni próbki hydrożelu pod końcówką kulkową. Hydrożel w tym badaniu wykazuje twardość 16,9 KPa i moduł Younga 160,2 KPa. Głębokość pełzania wynosi ~42 μm pod obciążeniem 10 mN przez 70 sekund.

NANOVEA Testery mechaniczne zapewniają niezrównaną wielofunkcyjność modułów Nano i Micro na jednej platformie. Oba moduły zawierają tryb testera zarysowań, testera twardości oraz testera zużycia, oferując najszerszy i najbardziej przyjazny dla użytkownika zakres badań dostępny na jednej platformie.
system.

Masz podobną aplikację?

POROZMAWIAJ Z EKSPERTEM JUŻ TERAZ
SZYBKA WYCENA I SZCZEGÓŁOWE INFORMACJE

Badanie zużycia tłoka

TESTOWANIE ZUŻYCIA TŁOKÓWKORZYSTANIE Z TRYBOMETRU NANOVEA

Badanie zużycia tłoka przy użyciu tribometru NANOVEA w warunkach smarowania.

Przygotowane przez

FRANK LIU

Czym jest badanie zużycia tłoka?

Badanie zużycia tłoka ocenia tarcie, smarowanie i trwałość materiału między płaszczami tłoka a tulejami cylindrów w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Wykorzystując trybometr, inżynierowie mogą odtworzyć rzeczywisty ruch posuwisto-zwrotny i precyzyjnie zmierzyć współczynnik tarcia, szybkość zużycia oraz topografię powierzchni 3D. Wyniki te dostarczają kluczowych informacji na temat właściwości trybologicznych powłok, smarów i stopów stosowanych w tłokach silnikowych, pomagając zoptymalizować osiągi, zużycie paliwa i długoterminową niezawodność.

Schemat przedstawiający interfejs smarowania płaszcza tłoka i tulei cylindrowej podczas testów zużycia.

 Schemat układu cylindrów mocy i interfejsu spódnica tłokowa - smar - tuleja cylindrowa.

💡 Chcesz określić stopień zużycia i tarcie własnych próbek? Zamów niestandardowy test trybologiczny dostosowany do Twojej aplikacji.

Dlaczego testy zużycia tłoków mają znaczenie w rozwoju silników

Olej silnikowy jest środkiem smarnym, który jest dobrze zaprojektowany do swojego zastosowania. Oprócz oleju bazowego, aby poprawić jego działanie, dodaje się dodatki, takie jak detergenty, dyspergatory, polepszacze lepkości (VI), środki przeciwzużyciowe/przeciwtarciowe i inhibitory korozji. Dodatki te wpływają na to, jak olej zachowuje się w różnych warunkach pracy. Zachowanie oleju wpływa na interfejsy P-L-C i określa, czy występuje znaczne zużycie w wyniku kontaktu metal-metal, czy też smarowanie hydrodynamiczne (bardzo małe zużycie).

Trudno jest zrozumieć interfejsy P-L-C bez odizolowania tego obszaru od zmiennych zewnętrznych. Bardziej praktyczna jest symulacja zdarzenia z warunkami reprezentatywnymi dla jego rzeczywistego zastosowania. Strona NANOVEA Tribometr jest do tego idealny. Wyposażony w wiele czujników siły, czujnik głębokości, moduł smarowania kroplowego oraz liniowy stopień posuwisto-zwrotny. NANOVEA T2000 jest w stanie dokładnie naśladować zdarzenia zachodzące w bloku silnika i uzyskać cenne dane, które pozwalają lepiej zrozumieć interfejsy P-L-C.

Konfiguracja modułu do badania zużycia tłoka i tarcia za pomocą tribometru nanovea

Moduł cieczy na tribometrze NANOVEA T2000

Moduł "drop-by-drop" jest kluczowy dla tego badania. Ponieważ tłoki mogą poruszać się z bardzo dużą prędkością (powyżej 3000 obr/min), trudno jest stworzyć cienką warstwę środka smarnego poprzez zanurzenie próbki. Aby rozwiązać ten problem, moduł "kropla po kropli" jest w stanie konsekwentnie nakładać stałą ilość środka smarnego na powierzchnię spódnicy tłoka.

Zastosowanie świeżego środka smarnego usuwa również obawy o wpływ na właściwości środka smarnego zanieczyszczeń powstałych w wyniku zużycia.

Jak symulują tribometry
Rzeczywiste zużycie tłoka i tulei

W niniejszym raporcie zostaną zbadane interfejsy między płaszczem tłoka, smarem i tuleją cylindrową. Interfejsy zostaną odtworzone poprzez przeprowadzenie liniowego ruchu posuwisto-zwrotnego. test zużycia z modułem smarowania kroplowego.

Środek smarny będzie stosowany w temperaturze pokojowej i w warunkach podgrzewania, aby porównać zimny start i optymalne warunki pracy. COF i wskaźnik zużycia będą obserwowane, aby lepiej zrozumieć, jak interfejsy zachowują się w rzeczywistych zastosowaniach.

NANOVEA T2000
Tribometr do dużych obciążeń

POBIERZ BROSZURĘ
ZADAJ PYTANIE
Pneumatyczny trybometr NANOVEA T2000 do dużych obciążeń

Parametry i konfiguracja testu zużycia tłoka

LOAD ............................ 100 N

CZAS TRWANIA TESTU ............................ 30 min

PRĘDKOŚĆ ............................ 2000 obr.

AMPLITUDE ............................ 10 mm

ODLEGŁOŚĆ CAŁKOWITA ............................ 1200 m

POWLEKANIE SPODNI ............................ Moly-grafit

MATERIAŁ NA PIN ............................ Stop aluminium 5052

ŚREDNICA PINU ............................ 10 mm

SMAROWIDŁO ............................ Olej silnikowy (10W-30)

APPROX. PRĘDKOŚĆ PRZEPŁYWU ............................ 60 mL/min

TEMPERATURA ............................ Temperatura pokojowa i 90°C

Znaczenie w rzeczywistym świecie
Badanie zużycia tłoka

Testy zużycia tłoków z wykorzystaniem tribometru dostarczają kluczowych informacji na temat wpływu doboru materiałów i strategii smarowania na rzeczywistą niezawodność silnika. Zamiast polegać na kosztownych testach całego silnika, laboratoria mogą oceniać powłoki, oleje i powierzchnie stopów w realistycznych warunkach obciążenia mechanicznego i temperatury. NANOVEA Profilometria 3D Moduły trybologiczne umożliwiają precyzyjne mapowanie głębokości zużycia i stabilności tarcia, pomagając zespołom badawczo-rozwojowym w optymalizacji wydajności i skróceniu cykli rozwoju.

Wyniki i analiza testów zużycia tłoków

Porównanie śladów zużycia tłoka na podstawie testu zużycia smarowanego przeprowadzonego za pomocą tribometru

W tym eksperymencie jako materiał kontrastowy wykorzystano A5052. Chociaż bloki silnika są zazwyczaj wykonane z odlewanego aluminium, takiego jak A356, A5052 ma właściwości mechaniczne podobne do A356 w tym symulacyjnym teście [1].

W warunkach testowych zaobserwowano znaczne zużycie płaszcza tłoka w temperaturze pokojowej w porównaniu z temperaturą 90°C. Głębokie rysy widoczne na próbkach sugerują, że podczas testu często dochodziło do kontaktu między materiałem statycznym a płaszczem tłoka. Wysoka lepkość w temperaturze pokojowej może ograniczać całkowite wypełnienie szczelin na styku powierzchni przez olej, powodując kontakt metalu z metalem. W wyższej temperaturze olej rozrzedza się i może przepływać między sworzniem a tłokiem. W rezultacie w wyższej temperaturze obserwuje się znacznie mniejsze zużycie. RYSUNEK 5 pokazuje, że jedna strona śladu zużycia była znacznie mniej zużyta niż druga strona. Najprawdopodobniej wynika to z położenia wylotu oleju. Grubość warstwy smaru była większa po jednej stronie niż po drugiej, co spowodowało nierównomierne zużycie.

[1] “Aluminium 5052 a aluminium 356.0”. MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum

Współczynnik COF w badaniach tribologicznych z liniowym ruchem posuwisto-zwrotnym można podzielić na wysoki i niski. Przejście wysokie odnosi się do próbki poruszającej się w kierunku dodatnim, a przejście niskie do próbki poruszającej się w kierunku przeciwnym, czyli ujemnym. Zaobserwowano, że średni COF dla oleju RT był poniżej 0,1 dla obu kierunków. Średni COF pomiędzy przejściami wynosił 0,072 i 0,080. Stwierdzono, że średni COF dla oleju 90°C był różny pomiędzy przejściami. Zaobserwowano średnie wartości COF wynoszące 0,167 i 0,09. Różnica w COF stanowi dodatkowy dowód na to, że olej był w stanie prawidłowo nawilżyć tylko jedną stronę trzpienia. Wysoki współczynnik COF uzyskano, gdy pomiędzy sworzniem a denkiem tłoka utworzył się gruby film w wyniku występującego smarowania hydrodynamicznego. Niższy współczynnik COF obserwuje się w drugą stronę, gdy występuje smarowanie mieszane. Więcej informacji na temat smarowania hydrodynamicznego i mieszanego można znaleźć w naszej nocie aplikacyjnej na stronie Krzywe Stribecka.
Współczynnik tarcia i wskaźnik zużycia wynikające z badania zużycia tłoka smarowanego

Tabela 1: Wyniki badań zużycia tłoków w stanie nasmarowanym.

Wykresy współczynnika tarcia dla testu zużycia tłoka w temperaturze pokojowej pokazujące surowe profile wysokich i niskich częstotliwości.

RYSUNEK 1: Wykresy COF dla testu zużycia oleju w temperaturze pokojowej A surowy profil B wysoki przebieg C niski przebieg.

Wykresy współczynnika tarcia dla testu zużycia tłoka w temperaturze 90 stopni Celsjusza, pokazujące surowe profile wysokich i niskich częstotliwości.

RYSUNEK 2: Wykresy COF dla testu oleju zużywalnego w 90°C A profil surowy B profil wysoki C profil niski.

Obraz mikroskopowy śladu zużycia tłoka uzyskany w wyniku badania zużycia oleju silnikowego w temperaturze pokojowej.

RYSUNEK 3: Obraz optyczny blizny po zużyciu z testu zużycia oleju silnikowego RT.

Powierzchnia tłoka z zaznaczoną lokalną śladami zużycia, podkreślona do analizy trybologicznej.
Analiza objętości i głębokości śladu zużycia tłoka na podstawie badania trybometrycznego

RYSUNEK 4: Objętość otworu analiza blizny po zużyciu z testu zużycia oleju silnikowego RT.

Skan profilometryczny powierzchni 3D śladu zużycia tłoka pokazujący głębokość zużycia i chropowatość

RYSUNEK 5: Skan profilometryczny blizny po zużyciu w teście zużycia oleju silnikowego RT.

Obraz mikroskopowy śladu zużycia tłoka po teście zużycia oleju silnikowego w temperaturze 90 stopni.

RYSUNEK 6: Optyczny obraz blizny po zużyciu oleju silnikowego w 90°C

spód tłoka wykazujący strefę zużycia analizowaną podczas badania zużycia tłoka za pomocą tribometru
pomiar objętości i głębokości śladu zużycia tłoka na podstawie badania tribometrycznego oleju silnikowego pod kątem 90 stopni

RYSUNEK 7: Objętość analizy otworu blizny po zużyciu z testu zużycia oleju silnikowego w 90°C.

Skanowanie profilometryczne powierzchni 3D śladu zużycia tłoka z 90-stopniowego testu zużycia oleju silnikowego, pokazujące głębokość zużycia i teksturę.

RYSUNEK 8: Skan profilometryczny blizny po zużyciu w teście zużycia oleju silnikowego w 90°C.

Wnioski: Ocena zużycia silnika za pomocą tribometrów NANOVEA

Przeprowadzono testy zużycia smarowanego tłoka liniowego, aby symulować zdarzenia występujące w rzeczywistym silniku podczas pracy. Interfejsy między płaszczem tłoka, smarem i tuleją cylindrową mają kluczowe znaczenie dla działania silnika. Grubość smaru na interfejsie odpowiada za straty energii spowodowane tarciem lub zużyciem między płaszczem tłoka a tuleją cylindrową. Aby zoptymalizować działanie silnika, grubość warstwy smaru musi być jak najmniejsza, tak aby płaszcz tłoka i tuleja cylindrowa nie stykały się ze sobą. Wyzwaniem jest jednak to, jak zmiany temperatury, prędkości i siły wpłyną na styki P-L-C.

Dzięki szerokiemu zakresowi obciążenia (do 2000 N) i prędkości (do 15000 obr./min) tribometr NANOVEA T2000 jest w stanie symulować różne warunki występujące w silniku. Możliwe przyszłe badania w tej dziedzinie obejmują zachowanie interfejsów P-L-C pod wpływem różnych stałych obciążeń, obciążeń oscylacyjnych, temperatury smaru, prędkości i metody stosowania smaru. Parametry te można łatwo regulować za pomocą tribometru NANOVEA T2000, aby uzyskać pełne zrozumienie mechanizmów interfejsów między płaszczem tłoka, smarem i tuleją cylindrową.

ℹ️ Interesują Cię testy klocków hamulcowych? Dowiedz się więcej o naszym dedykowanym tester tarcia hamulców do produkcji klocków hamulcowych, okładzin i badań i rozwoju w branży motoryzacyjnej.

Masz podobną aplikację?

POROZMAWIAJ Z EKSPERTEM JUŻ TERAZ
SZYBKA WYCENA I SZCZEGÓŁOWE INFORMACJE

Copyright © 2026 Nanovea. Wszelkie prawa zastrzeżone.