USA/GLOBALNE: +1-949-461-9292
EUROPA: +39-011-3052-794
KONTAKT

Kategoria: Wcięcie | Utrata i przechowywanie

 

Dynamiczna analiza mechaniczna korka przy użyciu nanoindentacji

DYNAMICZNA ANALIZA MECHANICZNA

KORKA PRZY UŻYCIU NANOINDENTACJI

Przygotowane przez

FRANK LIU

WPROWADZENIE

Dynamiczna analiza mechaniczna (DMA) jest potężną techniką wykorzystywaną do badania właściwości mechanicznych materiałów. W tym zastosowaniu skupiamy się na analizie korka, szeroko stosowanego materiału w procesach uszczelniania i starzenia wina. Korek, uzyskiwany z kory dębu Quercus suber, wykazuje wyraźne struktury komórkowe, które zapewniają właściwości mechaniczne przypominające syntetyczne polimery. W jednej osi korek ma strukturę plastra miodu. Dwie pozostałe osie mają strukturę wielu prostokątnych pryzmatów. Daje to korkowi różne właściwości mechaniczne w zależności od testowanej orientacji.

ZNACZENIE DYNAMICZNEJ ANALIZY MECHANICZNEJ (DMA) W OCENIE WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH KORKA

Jakość korków w dużej mierze zależy od ich właściwości mechanicznych i fizycznych, które mają kluczowe znaczenie dla ich skuteczności w uszczelnianiu wina. Kluczowe czynniki określające jakość korka obejmują elastyczność, izolację, sprężystość i nieprzepuszczalność dla gazów i cieczy. Wykorzystując dynamiczną analizę mechaniczną (DMA), możemy ilościowo ocenić właściwości elastyczności i sprężystości korków, zapewniając wiarygodną metodę oceny.

Tester mechaniczny NANOVEA PB1000 w zestawie Nanoindentacja umożliwia scharakteryzowanie tych właściwości, w szczególności modułu Younga, modułu magazynowania, modułu stratności i tan delta (tan (δ)). Testy DMA pozwalają również na gromadzenie cennych danych na temat przesunięcia fazowego, twardości, naprężenia i odkształcenia materiału korka. Dzięki tym kompleksowym analizom uzyskujemy głębszy wgląd w mechaniczne zachowanie korków i ich przydatność do uszczelniania wina.

CEL POMIARU

W niniejszym badaniu przeprowadzono dynamiczną analizę mechaniczną (DMA) czterech korków przy użyciu testera mechanicznego NANOVEA PB1000 w trybie nanoindentacji. Jakość korków została oznaczona jako: 1 - Flor, 2 - First, 3 - Colmated, 4 - Synthetic rubber. Testy wgłębień DMA przeprowadzono zarówno w kierunku osiowym, jak i promieniowym dla każdego korka. Analizując reakcję mechaniczną korków, chcieliśmy uzyskać wgląd w ich dynamiczne zachowanie i ocenić ich wydajność w różnych orientacjach.

NANOVEA

PB1000

PARAMETRY BADANIA

MAX FORCE75 mN
PRĘDKOŚĆ ZAŁADUNKU150 mN/min
PRĘDKOŚĆ ROZŁADUNKU150 mN/min
AMPLITUDE5 mN
CZĘSTOTLIWOŚĆ1 Hz
CREEP60 s

typ wgłębnika

Piłka

51200 Stal

Średnica 3 mm

WYNIKI

W poniższych tabelach i wykresach porównano moduł Younga, moduł magazynowania, moduł stratności i tan delta dla każdej próbki i orientacji.

Moduł Younga: Stabilność; wysokie wartości wskazują na stabilność, niskie wartości wskazują na elastyczność.

Moduł przechowywania: Odpowiedź elastyczna; energia zmagazynowana w materiale.

Moduł strat: Reakcja lepka; utrata energii z powodu ciepła.

Tan (δ): Tłumienie; wysokie wartości wskazują na większe tłumienie.

ORIENTACJA OSIOWA

ZatyczkaMODUŁ YOUNGAMODUŁ PRZECHOWYWANIAMODUŁ STRATYTAN
#(MPa)(MPa)(MPa)(δ)
122.567522.272093.6249470.162964
218.5466418.271533.1623490.17409
323.7538123.472673.6178190.154592
423.697223.580642.3470080.099539



ORIENTACJA PROMIENIOWA

ZatyczkaMODUŁ YOUNGAMODUŁ PRZECHOWYWANIAMODUŁ STRATYTAN
#(MPa)(MPa)(MPa)(δ)
124.7886324.565423.3082240.134865
226.6661426.317394.2862160.163006
344.0786743.614266.3659790.146033
428.0475127.941482.4359780.087173

MODUŁ YOUNGA

MODUŁ PRZECHOWYWANIA

MODUŁ STRATY

TAN DELTA

Pomiędzy korkami moduł Younga nie różni się zbytnio, gdy testowany jest w kierunku osiowym. Tylko korki #2 i #3 wykazały wyraźną różnicę w module Younga między kierunkiem promieniowym i osiowym. W rezultacie moduł magazynowania i moduł stratności będą również wyższe w kierunku promieniowym niż w kierunku osiowym. Korek #4 wykazuje podobną charakterystykę do korków z naturalnego korka, z wyjątkiem modułu strat. Jest to dość interesujące, ponieważ oznacza to, że korki naturalne mają większą lepkość niż materiał z gumy syntetycznej.

PODSUMOWANIE

NANOVEA Tester mechaniczny w trybie Nano Scratch Tester umożliwia symulację wielu rzeczywistych uszkodzeń powłok malarskich i twardych. Przykładając rosnące obciążenia w kontrolowany i ściśle monitorowany sposób, przyrząd pozwala określić, przy jakich obciążeniach występują awarie. Można to następnie wykorzystać jako sposób na określenie ilościowych wartości odporności na zarysowania. Wiadomo, że badana powłoka, pozbawiona warunków atmosferycznych, wykazuje pierwsze pęknięcie przy sile około 22 mN. Przy wartościach bliższych 5 mN jasne jest, że siedmioletnie okrążenie spowodowało degradację farby.

Kompensacja oryginalnego profilu pozwala uzyskać skorygowaną głębokość podczas zarysowania, a także zmierzyć głębokość resztkową po zarysowaniu. Daje to dodatkowe informacje na temat plastycznego i elastycznego zachowania powłoki pod rosnącym obciążeniem. Zarówno pęknięcia, jak i informacje o odkształceniach mogą być bardzo przydatne przy ulepszaniu twardej powłoki. Bardzo małe odchylenia standardowe pokazują również powtarzalność techniki urządzenia, co może pomóc producentom poprawić jakość ich twardej powłoki/farby i zbadać wpływ warunków atmosferycznych.

Dynamiczna analiza mechaniczna (DMA) - przemiatanie częstotliwości na polimerach

PRZEMIATANIE CZĘSTOTLIWOŚCI DMA

NA POLIMERZE PRZY UŻYCIU NANOINDENTACJI

Przygotowane przez

Duanjie Li, PhD

WPROWADZENIE

ZNACZENIE DYNAMICZNEJ ANALIZY MECHANICZNEJ BADANIE PRZEMIATANIA CZĘSTOTLIWOŚCI

Zmieniająca się częstotliwość naprężeń często prowadzi do zmian modułu zespolonego, który jest krytyczną właściwością mechaniczną polimerów. Na przykład opony poddawane są cyklicznym dużym odkształceniom, gdy pojazdy poruszają się po drodze. Częstotliwość nacisków i odkształceń zmienia się w miarę przyspieszania samochodu do większych prędkości. Taka zmiana może skutkować zmianą właściwości lepkosprężystych opony, które są ważnymi czynnikami wpływającymi na osiągi samochodu. Potrzebne jest wiarygodne i powtarzalne badanie lepkosprężystego zachowania polimerów przy różnych częstotliwościach. Moduł Nano NANOVEA Tester mechaniczny generuje obciążenie sinusoidalne za pomocą precyzyjnego siłownika piezoelektrycznego i bezpośrednio mierzy ewolucję siły i przemieszczenia za pomocą ultraczułego ogniwa obciążnikowego i kondensatora. Połączenie łatwej konfiguracji i wysokiej dokładności sprawia, że jest to idealne narzędzie do przemiatania częstotliwości w dynamicznej analizie mechanicznej.

Materiały lepkosprężyste wykazują zarówno cechy lepkie jak i sprężyste podczas poddawania ich deformacji. Długie łańcuchy molekularne w materiałach polimerowych przyczyniają się do ich unikalnych właściwości lepkosprężystych, tj. połączenia cech zarówno sprężystych ciał stałych, jak i płynów newtonowskich. Naprężenie, temperatura, częstotliwość i inne czynniki odgrywają rolę we właściwościach lepkosprężystych. Dynamiczna analiza mechaniczna, znana również jako DMA, bada zachowanie lepkosprężyste i moduł złożony materiału poprzez zastosowanie sinusoidalnego naprężenia i pomiar zmiany odkształcenia.

CEL POMIARU

W tej aplikacji badamy właściwości lepkosprężyste próbki wypolerowanej opony przy różnych częstotliwościach DMA przy użyciu najpotężniejszego testera mechanicznego NANOVEA PB1000 w Nanoindentacja tryb.

NANOVEA

PB1000

WARUNKI BADANIA

CZĘSTOTLIWOŚĆ (Hz):

0.1, 1.5, 10, 20

CZAS PEŁZANIA PRZY KAŻDEJ CZĘSTOTLIWOŚCI.

50 sek

NAPIĘCIE OSCYLACJI

0.1 V

NAPIĘCIE ŁADOWANIA

1 V

typ wgłębnika

Sferyczny

Diament | 100 μm

WYNIKI I DYSKUSJA

Przemiatanie częstotliwościowe Dynamicznej Analizy Mechanicznej przy maksymalnym obciążeniu umożliwia szybki i prosty pomiar właściwości lepkosprężystych próbki przy różnych częstotliwościach obciążenia w ramach jednej próby. Przesunięcie fazowe oraz amplitudy fal obciążenia i przemieszczenia przy różnych częstotliwościach mogą być wykorzystane do obliczenia wielu podstawowych właściwości lepkosprężystych materiału, w tym Moduł przechowywania, Moduł strat oraz Tan (δ) co podsumowano na poniższych wykresach. 

Częstotliwości 1, 5, 10 i 20 Hz w tym badaniu, odpowiadają prędkościom około 7, 33, 67 i 134 km na godzinę. Wraz ze wzrostem częstotliwości badania od 0,1 do 20 Hz można zaobserwować, że zarówno moduł spiętrzenia jak i moduł strat stopniowo wzrastają. Tan (δ) zmniejsza się z ~0,27 do 0,18 w miarę wzrostu częstotliwości od 0,1 do 1 Hz, a następnie stopniowo wzrasta do ~0,55 po osiągnięciu częstotliwości 20 Hz. Przemiatanie częstotliwości DMA pozwala na pomiar trendów modułu spiętrzenia, modułu stratności i Tan (δ), które dostarczają informacji o ruchu monomerów i sieciowaniu, a także o przejściu szklistym polimerów. Podnosząc temperaturę za pomocą płyty grzejnej podczas przemiatania częstotliwości, można uzyskać pełniejszy obraz charakteru ruchu molekularnego w różnych warunkach badania.

EWOLUCJA OBCIĄŻENIA I GŁĘBOKOŚCI

PEŁNEGO PRZEMIATANIA CZĘSTOTLIWOŚCI DMA

Obciążenie i głębokość w zależności od czasu przy różnych częstotliwościach

MODUŁ PRZECHOWYWANIA

PRZY RÓŻNYCH CZĘSTOTLIWOŚCIACH

MODUŁ STRATY

PRZY RÓŻNYCH CZĘSTOTLIWOŚCIACH

TAN (δ)

PRZY RÓŻNYCH CZĘSTOTLIWOŚCIACH

PODSUMOWANIE

W tym badaniu zaprezentowaliśmy możliwości urządzenia NANOVEA Mechanical Tester w zakresie wykonywania testu przemiatania częstotliwościowego Dynamicznej Analizy Mechanicznej na próbce opony. Test ten mierzy właściwości lepkosprężyste opony przy różnych częstotliwościach naprężeń. Opona wykazuje wzrost modułu magazynowania i stratności wraz ze wzrostem częstotliwości obciążenia od 0,1 do 20 Hz. Badanie dostarcza przydatnych informacji na temat zachowania się opony w warunkach lepkosprężystych przy różnych prędkościach, co jest niezbędne do poprawy osiągów opon w celu zapewnienia bardziej płynnej i bezpiecznej jazdy. Test przemiatania częstotliwości DMA może być wykonywany w różnych temperaturach, aby naśladować realistyczne środowisko pracy opony w różnych warunkach pogodowych.

W module Nano testera mechanicznego NANOVEA, przykładanie obciążenia za pomocą szybkiego piezoelementu jest niezależne od pomiaru obciążenia wykonywanego przez oddzielny, wysokoczuły tensometr. Daje to wyraźną przewagę podczas Dynamicznej Analizy Mechanicznej, ponieważ faza pomiędzy głębokością a obciążeniem jest mierzona bezpośrednio z danych zebranych z czujnika. Obliczenie fazy jest bezpośrednie i nie wymaga modelowania matematycznego, które dodaje niedokładności do wynikowego modułu stratności i przechowywania. Nie jest to możliwe w przypadku systemu opartego na cewkach.

Podsumowując, DMA mierzy moduł stratności i przechowywania, moduł złożony i Tan (δ) w funkcji głębokości kontaktu, czasu i częstotliwości. Opcjonalny stopień grzania umożliwia wyznaczenie temperatury przejścia fazowego materiałów podczas DMA. Testery mechaniczne NANOVEA zapewniają niezrównaną funkcjonalność modułów Nano i Micro na jednej platformie. Zarówno moduły Nano jak i Micro zawierają tryby testera zarysowań, testera twardości oraz testera zużycia, zapewniając najszerszy i najbardziej przyjazny dla użytkownika zakres badań dostępny w jednym module.

Precyzyjnie zlokalizowane przejście przez szkło za pomocą DMA z nanoindentacją

Precyzyjnie zlokalizowane przejście przez szkło za pomocą DMA z nanoindentacją

Dowiedz się więcej
 
Wyobraźmy sobie scenariusz, w którym próbka sypka jest równomiernie ogrzewana ze stałą prędkością. Gdy materiał sypki nagrzewa się i zbliża do temperatury topnienia, zaczyna tracić swoją sztywność. Jeśli okresowe wgniatanie (testowanie twardości) jest przeprowadzane przy tej samej sile docelowej, głębokość każdego wgniecenia powinna stale wzrastać, ponieważ próbka staje się bardziej miękka (patrz rysunek 1). Trwa to do momentu, gdy próbka zacznie się topić. W tym momencie można zaobserwować duży wzrost głębokości każdego wgniecenia. Wykorzystując tę koncepcję, zmiany fazowe w materiale mogą być obserwowane poprzez zastosowanie dynamicznych oscylacji o stałej amplitudzie siły i pomiar jej przemieszczenia, czyli dynamiczną analizę mechaniczną (DMA).   Przeczytaj o precyzyjnie zlokalizowanym przejściu szkła!

Pomiar relaksacji naprężeń za pomocą nanoindentacji

Dowiedz się więcej

TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI

Analiza lepkosprężystości gumy

Analiza lepkosprężystości gumy

Dowiedz się więcej

 

Opony są narażone na cykliczne duże odkształcenia podczas jazdy pojazdów po drogach. W przypadku narażenia na trudne warunki drogowe, żywotność opon jest zagrożona przez wiele czynników, takich jak zużycie gwintu, ciepło powstające w wyniku tarcia, starzenie się gumy i inne.

W rezultacie, opony zwykle mają kompozytowe struktury warstwowe wykonane z gumy wypełnionej węglem, nylonowych kordu, stalowych drutów itp. W szczególności, skład gumy w różnych obszarach układów opon jest optymalizowany w celu zapewnienia różnych właściwości funkcjonalnych, w tym, ale nie tylko, nici odpornej na zużycie, warstwy gumy amortyzującej i warstwy bazowej z twardej gumy.

Wiarygodny i powtarzalny test lepkosprężystego zachowania gumy ma kluczowe znaczenie w kontroli jakości oraz badaniach i rozwoju nowych opon, a także ocenie żywotności starych opon. Dynamiczna analiza mechaniczna (DMA) podczas Nanoindentacja jest techniką charakteryzowania lepkosprężystości. Po zastosowaniu kontrolowanego naprężenia oscylacyjnego mierzone jest powstałe odkształcenie, co pozwala użytkownikom określić moduł zespolony badanych materiałów.

Dynamiczna analiza mechaniczna za pomocą nanoindentacji

Jakość korka zależy w dużej mierze od jego właściwości mechanicznych i fizycznych. Jego zdolność do uszczelniania wina może być określona przez te ważne czynniki: elastyczność, izolacja, sprężystość i nieprzepuszczalność dla gazów i płynów. Przeprowadzając testy dynamicznej analizy mechanicznej (DMA), można zmierzyć właściwości elastyczności i sprężystości w sposób wymierny. Właściwości te są charakteryzowane za pomocą urządzenia Nanovea Mechanical Tester's Nanoindentacja w postaci modułu Younga, modułu zachowawczego, modułu stratności i tan delta (tan (δ)). Inne dane, które mogą być zebrane z badań DMA to przesunięcie fazowe, twardość, naprężenie i odkształcenie materiału.

Dynamiczna analiza mechaniczna za pomocą nanoindentacji