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Arquivos Mensais: setembro 2021

Propriedades mecânicas do Hydrogel

PROPRIEDADES MECÂNICAS DO HIDROGEL

UTILIZANDO A NANOINDENTAÇÃO

PROPRIEDADES MECÂNICAS DO HIDROGEL

Preparado por

DUANJIE LI, PhD & JORGE RAMÍREZ

INTRODUÇÃO

O hidrogel é conhecido por sua superabsorção de água, permitindo uma grande semelhança em flexibilidade como tecidos naturais. Esta semelhança tornou o hidrogel uma escolha comum não apenas em biomateriais, mas também em eletrônica, meio ambiente e boas aplicações para o consumidor, como lentes de contato. Cada aplicação única requer propriedades mecânicas específicas do hidrogel.

IMPORTÂNCIA DA NANOINDENTAÇÃO PARA A HIDROGEL

Os hidrogéis criam desafios únicos para a nanoindentação, tais como a seleção de parâmetros de teste e o preparo de amostras. Muitos sistemas de nanoindentação têm grandes limitações desde que não foram originalmente projetados para materiais tão macios. Alguns dos sistemas de nanoindentação utilizam um conjunto bobina/imã para aplicar força sobre a amostra. Não há medição de força real, levando a uma carga imprecisa e não linear ao testar materiais moles. materiais. Determinar o ponto de contato é extremamente difícil, pois o A profundidade é o único parâmetro que está sendo realmente medido. É quase impossível observar a mudança de declive no Profundidade vs Tempo durante o período em que a ponta indentada está se aproximando do material hidrogel.

A fim de superar as limitações desses sistemas, o nano módulo do NANOVEA Testador Mecânico mede o feedback de força com uma célula de carga individual para garantir alta precisão em todos os tipos de materiais, macios ou duros. O deslocamento controlado por piezo é extremamente preciso e rápido. Isso permite uma medição incomparável das propriedades viscoelásticas, eliminando muitas suposições teóricas que os sistemas com um conjunto de bobina/ímã e sem realimentação de força devem levar em conta.

OBJETIVO DA MEDIÇÃO

Nesta aplicação, o NANOVEA O Testador Mecânico, no modo Nanoindentação, é usado para estudar a dureza, módulo elástico e fluência de uma amostra de hidrogel.

NANOVEA PB1000 Testador Mecânico

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nanoindenter e testador de arranhões Nanovea PB1000

CONDIÇÕES DE TESTE

Uma amostra de hidrogel colocada sobre uma lâmina de vidro foi testada pela técnica de nanoindentação utilizando uma NANOVEA Testador Mecânico. Para este material macio foi utilizada uma ponta esférica de 3 mm de diâmetro. A carga aumentou linearmente de 0,06 para 10 mN durante o período de carga. A deformação foi então medida pela mudança da profundidade de indentação na carga máxima de 10 mN durante 70 segundos.

VELOCIDADE DE APROXIMAÇÃO: 100 μm/min

CONTATO CARREGAR
0,06 mN
CARGA MÁX
10 mN
TAXA DE CARREGAMENTO

20 mN/min

CREEP
70 s
Teste de indentação em hidrogel

RESULTADOS & DISCUSSÃO

A evolução da carga e da profundidade em função do tempo é mostrada em FUGURA 1. Pode-se observar que na trama do Profundidade vs TempoÉ muito difícil determinar o ponto de mudança de declive no início do período de carregamento, que geralmente funciona como uma indicação onde o indentro começa a entrar em contato com o material macio. No entanto, a trama do Carga vs Tempo mostra o comportamento peculiar do hidrogel sob uma carga aplicada. Quando o hidrogel começa a entrar em contato com o recuo da bola, o hidrogel puxa o recuo da bola devido a sua tensão superficial, que tende a diminuir a área da superfície. Este comportamento leva à carga medida negativa no início da fase de carga. A carga aumenta progressivamente à medida que o indentro afunda no hidrogel, e é então controlada para ser constante na carga máxima de 10 mN durante 70 segundos para estudar o comportamento de rastejamento do hidrogel.

caracterização do hidrogel
nanoindentação de hidrogéis

FIGURA 1: Evolução da carga e profundidade em função do tempo.

A trama do Profundidade de Creep vs Tempo é mostrado em FIGURA 2e o Carga vs. Deslocamento gráfico do teste de nanoindentação é mostrado em FIGURA 3. O hidrogel neste estudo possui uma dureza de 16,9 KPa e um módulo de Young de 160,2 KPa, calculado com base na curva de deslocamento de carga usando o método Oliver-Pharr.

O arrepio é um fator importante para o estudo das propriedades mecânicas de um hidrogel. O controle de retroalimentação entre a célula de carga piezo e ultra-sensível garante uma verdadeira carga constante durante o tempo de fluência na carga máxima. Como mostrado em FIGURA 2o hidrogel subsidia ~42 μm como resultado de rastejamento em 70 segundos sob a carga máxima de 10 mN aplicada pela ponta esférica de 3 mm.

testes mecânicos de hidrogéis

FIGURA 2: Rastejando a uma carga máxima de 10 mN durante 70 segundos.

teste de durabilidade do hidrogel

FIGURA 3: O gráfico Carga vs. Deslocamento do hidrogel.

CONCLUSÃO

Neste estudo, mostramos que o NANOVEA O Testador Mecânico, no modo Nanoindentação, fornece uma medição precisa e repetível das propriedades mecânicas de um hidrogel, incluindo dureza, módulo de Young e fluência. A grande ponta esférica de 3 mm assegura um contato adequado com a superfície do hidrogel. O estágio de amostra motorizado de alta precisão permite o posicionamento preciso da face plana da amostra de hidrogel sob a ponta esférica. O hidrogel neste estudo apresenta uma dureza de 16,9 KPa e um módulo de Young de 160,2 KPa. A profundidade de deslizamento é de ~42 μm sob uma carga de 10 mN durante 70 segundos.

NANOVEA Os testadores mecânicos fornecem módulos Nano e Micro multi-funcionais inigualáveis em uma única plataforma. Ambos os módulos incluem um testador de arranhões, um testador de dureza e um modo de teste de desgaste, oferecendo a maior e mais amigável variedade de testes disponíveis em uma única plataforma.
sistema.

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Teste de Desgaste do Pistão

TESTE DE DESGASTE DO PISTÃOUSANDO O TRIBÔMETRO NANOVEA

Teste de desgaste do pistão utilizando o tribômetro NANOVEA em condições lubrificadas.

Preparado por

LIU FRANCA

O que é o teste de desgaste do pistão?

O teste de desgaste do pistão avalia o atrito, a lubrificação e a durabilidade do material entre as saias do pistão e os revestimentos do cilindro em condições controladas de laboratório. Utilizando um tribômetro, os engenheiros podem replicar o movimento recíproco real e medir com precisão o coeficiente de atrito, a taxa de desgaste e a topografia da superfície 3D. Esses resultados fornecem informações importantes sobre o comportamento tribológico de revestimentos, lubrificantes e ligas usados em pistões de motores, ajudando a otimizar o desempenho, a eficiência de combustível e a confiabilidade a longo prazo.

Esquema mostrando a interface de lubrificação da saia do pistão e do revestimento do cilindro durante o teste de desgaste.

 Esquema do sistema de cilindros de potência e das interfaces saia-saia-cilindro-lubrificante-cilíndrico do pistão.

💡 Deseja quantificar a taxa de desgaste e o atrito de suas próprias amostras? Solicite um teste de tribologia personalizado, adaptado à sua aplicação.

Por que o teste de desgaste do pistão é importante no desenvolvimento de motores

O óleo de motor é um lubrificante bem projetado para sua aplicação. Além do óleo básico, são adicionados aditivos como detergentes, dispersantes, melhorador de viscosidade (VI), agentes anti-desgaste/antifricção e inibidores de corrosão para melhorar seu desempenho. Estes aditivos afetam a forma como o óleo se comporta sob diferentes condições operacionais. O comportamento do óleo afeta as interfaces P-L-C e determina se está ocorrendo desgaste significativo do contato metal-metal ou se está ocorrendo lubrificação hidrodinâmica (muito pouco desgaste).

É difícil entender as interfaces P-L-C sem isolar a área das variáveis externas. É mais prático simular o evento com condições que sejam representativas de sua aplicação na vida real. O NANOVEA O Tribômetro é ideal para isso. Equipado com vários sensores de força, sensor de profundidade, um módulo de lubrificação gota a gota e um estágio de reciprocidade linear, o NANOVEA T2000 é capaz de imitar fielmente os eventos que ocorrem dentro de um bloco de motor e obter dados valiosos para compreender melhor as interfaces PLC.

Configuração do módulo de teste de desgaste e atrito do pistão do tribômetro nanovea

Módulo Líquido no Tribômetro NANOVEA T2000

O módulo drop-by-drop é crucial para este estudo. Como os pistões podem se mover a uma velocidade muito rápida (acima de 3000 rpm), é difícil criar uma fina película de lubrificante submergindo a amostra. Para resolver este problema, o módulo gota a gota é capaz de aplicar uma quantidade constante de lubrificante na superfície da saia do pistão.

A aplicação de lubrificante fresco também elimina a preocupação com contaminantes de desgaste desalojados que influenciam as propriedades do lubrificante.

Como os tribômetros simulam
Desgaste real do pistão-camisa

As interfaces entre a saia do pistão, o lubrificante e o revestimento do cilindro serão estudadas neste relatório. As interfaces serão replicadas através da realização de um movimento recíproco linear. teste de desgaste com módulo lubrificante gota a gota.

O lubrificante será aplicado à temperatura ambiente e em condições de aquecimento para comparar as condições de partida a frio e de operação ideal. O COF e a taxa de desgaste serão observados para entender melhor como as interfaces se comportam nas aplicações da vida real.

NANOVEA T2000
Tribômetro de alta carga

DOWNLOAD DO CATÁLOGO
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Tribômetro pneumático de alta carga NANOVEA T2000

Parâmetros e configuração do teste de desgaste do pistão

CARREGAR ………………………. 100 N

DURAÇÃO DO TESTE ………………………. 30 min

SPEED ………………………. 2000 rpm

AMPLITUDE ………………………. 10 mm

DISTÂNCIA TOTAL ………………………. 1200 m

REVESTIMENTO DA PELE ………………………. Moli-grafite

PIN MATERIAL ………………………. Liga de Alumínio 5052

PIN DIAMETER ………………………. 10 mm

LUBRICANTE ………………………. Óleo de motor (10W-30)

APPROX. TAXA DE FLUXO ………………………. 60 mL/min

TEMPERATURA ………………………. Temperatura ambiente & 90°C

Relevância no mundo real de
Teste de Desgaste do Pistão

Os testes de desgaste de pistões com tribômetro fornecem informações essenciais sobre como as escolhas de materiais e as estratégias de lubrificação afetam a confiabilidade real do motor. Em vez de depender de testes caros com motores completos, os laboratórios podem avaliar revestimentos, óleos e superfícies de ligas sob condições realistas de carga mecânica e temperatura. A NANOVEA Perfilometria 3D e os módulos de tribologia permitem o mapeamento preciso da profundidade do desgaste e da estabilidade do atrito, ajudando as equipes de P&D a otimizar o desempenho e reduzir os ciclos de desenvolvimento.

Resultados e análise do teste de desgaste do pistão

Comparação das marcas de desgaste do pistão a partir do teste de desgaste lubrificado com tribômetro

Nesta experiência, utilizou-se A5052 como material de contraposição. Embora os blocos de motor sejam normalmente fabricados em alumínio fundido, como o A356, o A5052 tem propriedades mecânicas semelhantes às do A356 para este teste simulado [1].

Nas condições de teste, observou-se um desgaste significativo na saia do pistão à temperatura ambiente em comparação com 90 °C. Os arranhões profundos observados nas amostras sugerem que o contato entre o material estático e a saia do pistão ocorre frequentemente ao longo do teste. A alta viscosidade à temperatura ambiente pode estar impedindo que o óleo preencha completamente as lacunas nas interfaces e criando contato metal-metal. Em temperaturas mais altas, o óleo se torna mais fino e é capaz de fluir entre o pino e o pistão. Como resultado, observa-se um desgaste significativamente menor em temperaturas mais altas. A FIGURA 5 mostra que um lado da marca de desgaste se desgastou significativamente menos do que o outro lado. Isso provavelmente se deve à localização da saída de óleo. A espessura da película lubrificante era maior em um lado do que no outro, causando um desgaste desigual.

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

O COF dos testes de tribologia linear recíproca pode ser dividido em alta e baixa aprovação. O passe alto refere-se à amostra que se move na direção da frente, ou positiva, e o passe baixo refere-se à amostra que se move na direção inversa, ou negativa. A média de COF para o óleo RT foi observada como sendo inferior a 0,1 para ambas as direções. O COF médio entre os passes foi de 0,072 e 0,080. O COF médio do óleo de 90°C foi encontrado como diferente entre os passes. Os valores médios de COF de 0,167 e 0,09 foram observados. A diferença no COF dá uma prova adicional de que o óleo só foi capaz de molhar adequadamente um dos lados do pino. O COF alto foi obtido quando uma película espessa foi formada entre o pino e a saia do pistão devido à ocorrência de lubrificação hidrodinâmica. O COF mais baixo é observado na outra direção quando a lubrificação mista está ocorrendo. Para mais informações sobre lubrificação hidrodinâmica e lubrificação mista, por favor, visite nossa nota de aplicação em Curvas de Stribeck.
resultados do coeficiente de atrito e taxa de desgaste do teste de desgaste do pistão lubrificado

Tabela 1: Resultados do teste de desgaste lubrificado em pistões.

gráficos do coeficiente de atrito para o teste de desgaste do pistão à temperatura ambiente, mostrando perfis brutos de alta e baixa passagem

FIGURA 1: Gráficos COF para o teste de desgaste do óleo à temperatura ambiente A perfil cru B alto passe C baixo passe.

gráficos do coeficiente de atrito para o teste de desgaste do pistão a 90 graus Celsius, mostrando perfis brutos de alta e baixa passagem

FIGURA 2: Gráficos COF para teste de óleo de desgaste a 90°C A perfil cru B alto passe C baixo passe.

Imagem de microscópio óptico da marca de desgaste do pistão proveniente do teste de desgaste do óleo do motor à temperatura ambiente.

FIGURA 3: Imagem ótica da cicatriz de desgaste do teste de desgaste do óleo do motor RT.

Superfície do pistão mostrando marca de desgaste localizada destacada para análise tribológica
Análise do volume e profundidade da marca de desgaste do pistão a partir do teste tribométrico

FIGURA 4: Volume de uma análise de cicatriz de desgaste de um furo do teste de desgaste de óleo de motor RT.

Digitalização da perfilometria da superfície 3D da marca de desgaste do pistão, mostrando a profundidade e a rugosidade do desgaste

FIGURA 5: Exame de profilometria da cicatriz de desgaste do teste de desgaste do óleo do motor RT.

Imagem de microscópio óptico da marca de desgaste do pistão após teste de desgaste do óleo do motor a 90 graus

FIGURA 6: Imagem ótica da cicatriz de desgaste de 90°C teste de desgaste do óleo do motor

Saia do pistão mostrando a zona de desgaste analisada durante o teste de desgaste do pistão no tribômetro
Medição do volume e da profundidade do desgaste do pistão a partir de um teste de tribometria com óleo de motor a 90 graus.

FIGURA 7: Volume de uma análise de cicatriz de desgaste de um furo de 90°C de teste de desgaste de óleo de motor.

Digitalização da perfilometria da superfície 3D da marca de desgaste do pistão a partir de um teste de desgaste do óleo do motor a 90 graus, mostrando a profundidade e a textura do desgaste.

FIGURA 8: Varredura da cicatriz de desgaste de 90°C do teste de desgaste do óleo do motor.

Conclusão: Avaliação do desgaste do motor com tribômetros NANOVEA

Um teste de desgaste linear lubrificado foi realizado em um pistão para simular eventos que ocorrem em um motor operacional real. As interfaces entre a saia do pistão, o lubrificante e o revestimento do cilindro são cruciais para o funcionamento de um motor. A espessura do lubrificante na interface é responsável pela perda de energia devido ao atrito ou desgaste entre a saia do pistão e o revestimento do cilindro. Para otimizar o motor, a espessura da película deve ser a mais fina possível, sem permitir que a saia do pistão e o revestimento do cilindro se toquem. O desafio, no entanto, é como as mudanças de temperatura, velocidade e força afetarão as interfaces P-L-C.

Com sua ampla faixa de carga (até 2000 N) e velocidade (até 15000 rpm), o tribômetro NANOVEA T2000 é capaz de simular diferentes condições possíveis em um motor. Estudos futuros possíveis sobre este tema incluem como as interfaces P-L-C se comportarão sob diferentes cargas constantes, cargas osciladas, temperatura do lubrificante, velocidade e método de aplicação do lubrificante. Esses parâmetros podem ser facilmente ajustados com o tribômetro NANOVEA T2000 para proporcionar uma compreensão completa dos mecanismos das interfaces entre a saia do pistão, o lubrificante e o revestimento do cilindro.

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