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Arquivos Mensais: setembro 2021

Propriedades mecânicas do Hydrogel

PROPRIEDADES MECÂNICAS DO HIDROGEL

UTILIZANDO A NANOINDENTAÇÃO

Preparado por

DUANJIE LI, PhD & JORGE RAMIREZ

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

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
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.

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.

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

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 Pistão

Usando um Tribômetro

Preparado por

LIU FRANCA

INTRODUÇÃO

A perda por fricção representa aproximadamente 10% de energia total em combustível para um motor diesel[1]. 40-55% da perda de atrito vem do sistema do cilindro de potência. A perda de energia por atrito pode ser diminuída com uma melhor compreensão das interações tribológicas que ocorrem no sistema do cilindro de potência.

Uma parte significativa da perda de atrito no sistema de cilindros de potência provém do contato entre a saia do pistão e a camisa do cilindro. A interação entre a saia do pistão, lubrificante e as interfaces do cilindro é bastante complexa devido às constantes mudanças de força, temperatura e velocidade em um motor de vida real. A otimização de cada fator é fundamental para obter um ótimo desempenho do motor. Este estudo se concentrará em replicar os mecanismos que causam forças de fricção e desgaste nas interfaces saia do pistão - camisa do cilindro-lubrificante (P-L-C).

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

[1] Bai, Dongfang. Modelagem de lubrificação da saia do pistão em motores de combustão interna. Diss. MIT, 2012

IMPORTÂNCIA DOS PISTÕES DE TESTE COM TRIBÔMETROS

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 Tribômetro é ideal para isso. Equipado com vários sensores de força, sensor de profundidade, módulo de lubrificação gota a gota e estágio alternativo linear, o NANOVEA O T2000 é capaz de imitar de perto os eventos que ocorrem dentro de um bloco de motor e obter dados valiosos para compreender melhor as interfaces P-L-C.

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.

Tribômetro Pneumático de Alta Carga

NANOVEA T2000

Tribômetro de alta carga

OBJETIVO DA MEDIÇÃO

As interfaces saia-saia-lubrificante-cilíndrico do pistão serão estudadas neste relatório. As interfaces serão replicadas pela realização de um teste de desgaste linear recíproco com módulo de 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.

PARÂMETROS DE TESTE

para testes de tribologia em pistões

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

RESULTADOS DE TESTES RECÍPROCOS LINEARES

Nesta experiência, o A5052 foi usado como material de contagem. Enquanto os blocos de motor são normalmente feitos de alumínio fundido como o A356, o A5052 tem propriedades mecânicas similares ao A356 para este teste simulado [2].

Sob as condições de teste, o desgaste significativo foi
observado na saia do pistão em temperatura ambiente
em comparação a 90°C. Os arranhões profundos vistos nas amostras sugerem que o contato entre o material estático e a saia do pistão ocorre freqüentemente durante todo o teste. A alta viscosidade à temperatura ambiente pode estar restringindo o óleo de preencher completamente as lacunas nas interfaces e criar contato metal-metal. Em temperaturas mais altas, o óleo afina e é capaz de fluir entre o pino e o pistão. Como resultado, observa-se um desgaste significativamente menor a uma temperatura mais alta. O FIGURA 5 mostra que um lado da cicatriz de desgaste se desgastou significativamente menos do que o outro lado. Isto se deve muito provavelmente à localização da saída de óleo. A espessura da película lubrificante era mais espessa de um lado do que do outro, causando um desgaste desigual.

 

 

[2] "5052 Alumínio vs 356,0 Alumínio". 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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

CONCLUSÃO

Foi realizado um teste de desgaste linear recíproco lubrificado em um pistão para simular eventos que ocorrem em um
motor operacional da vida real. As interfaces saia-saia-lubrificante-cilíndrico do pistão é crucial 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 a camisa do cilindro. Para otimizar o motor, a espessura da película deve ser a mais fina possível sem permitir que a saia do pistão e a camisa do cilindro se toquem. O desafio, entretanto, é como as mudanças de temperatura, velocidade e força irão afetar as interfaces P-L-C.

Com sua ampla gama de carga (até 2000 N) e velocidade (até 15000 rpm), o tribômetro NANOVEA T2000 é capaz de simular diferentes condições possíveis em um motor. Possíveis estudos futuros sobre este tópico incluem como as interfaces P-L-C se comportarão sob diferentes cargas constantes, carga oscilante, temperatura do lubrificante, velocidade e método de aplicação do lubrificante. Estes parâmetros podem ser facilmente ajustados com o tribômetro NANOVEA T2000 para dar uma compreensão completa sobre os mecanismos das interfaces de revestimento do pistão saia-lubrificante-cilíndrico do cilindro.

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