pengenalan
Komposit berasaskan resin fenolikdirumus daripada matriks fenolik yang diawet bersama dengan gentian, pengisi, atau juzuk lain. Tindak balas viskoelastik yang diukur bergantung pada sistem bahan yang lengkap dan keadaan ujian.
Bagi jurutera dan perumus yang menilai komposit fenolik, analisis mekanikal dinamik (DMA) boleh memberikan cerapan tentang tindak balas berkaitan kekakuan, pelesapan tenaga mekanikal dan tingkah laku peralihan. Keputusan ini mesti ditafsirkan dengan pemahaman tentang modulus penyimpanan, modulus kehilangan, faktor kehilangan, dan kesan kimia resin, tetulang, suhu, kekerapan, dan konfigurasi ujian.
Artikel ini membentangkan rangka kerja praktikal untuk menilai kelakuan viskoelastik bagi komposit berasaskan resin fenolik tanpa menganggap ukuran DMA peringkat bahan sebagai bukti langsung prestasi komponen siap.
Apa Maksud Kelikatan dalam Komposit Fenolik Yang Diubati
Viscoelasticity menerangkan tindak balas mekanikal bergantung masa bahan terhadap ubah bentuk. Dalam keadaan sembuhresin fenolik, rangkaian bersilang boleh mempamerkan kedua-dua komponen elastik dan komponen pelesapan di bawah beban yang dikenakan.
Semasa ujian mekanikal berayun, tindak balas mungkin menunjukkan ketinggalan fasa antara tegasan yang dikenakan dan ketegangan yang terhasil. Dalam rangka kerja viskoelastik linear, tindak balas ini boleh diselesaikan ke dalam fasa, komponen berkaitan kekakuan dan komponen berkaitan pelesapan di luar fasa.
Rangkaian fenolik yang telah diawet tidak mengalami aliran cair dalam cara termoplastik yang tidak bersilang. Namun begitu, rayapan, kelonggaran tegasan, ubah bentuk bergantung masa dan kerosakan mungkin berlaku bergantung pada suhu, beban, tempoh, persekitaran dan keadaan bahan.
Sumber pelesapan yang mungkin termasuk kelonggaran molekul dalam matriks dan interaksi dalam kawasan antara fasa. Sumbangan relatif mereka bergantung pada sistem bahan dan keadaan ujian.
Oleh itu, tindak balas terukur bagi komposit fenolik mencerminkan kelakuan gabungan matriks polimer, tetulang, antara muka dan seni bina bahan.
Mentafsir E′, E″, dan tan δ
DMA biasanya melaporkan modulus storan, modulus kehilangan dan faktor kehilangan.
Modulus storan (E′) ialah komponen dalam fasa modulus kompleks dan dikaitkan dengan tindak balas berkaitan keanjalan atau kekakuan bahan di bawah keadaan ujian yang dinyatakan. E' yang lebih tinggi menunjukkan rintangan yang lebih besar terhadap ubah bentuk dalam ujian itu tetapi tidak mewujudkan prestasi unggul dalam setiap aplikasi dinamik.
Modulus kehilangan (E″) ialah komponen luar fasa modulus kompleks dan dikaitkan dengan pelesapan tenaga mekanikal di bawah ubah bentuk kitaran. E″ yang lebih tinggi tidak dengan sendirinya menunjukkan hingar sistem yang lebih rendah, pengasingan getaran yang lebih baik atau hayat komponen yang lebih lama.
Faktor kehilangan (tan δ = E″/E′) menyatakan keseimbangan relatif antara tindak balas lesap dan elastik di bawah keadaan yang ditetapkan. Ia selalunya sensitif kepada kelonggaran dan tingkah laku peralihan, tetapi ia bukan ukuran langsung keberkesanan redaman peringkat sistem.
E′, E″, dan tan δ bergantung pada suhu, kekerapan, amplitud terikan, geometri spesimen, mod ubah bentuk, orientasi gentian, pelaziman dan pembolehubah prosedur lain. Oleh itu, ia harus dibandingkan hanya apabila bahan yang berkaitan dan keadaan ujian diselaraskan dengan secukupnya.
Ketergantungan Suhu dan Tugasan Peralihan
Kebergantungan suhu E′, E″, dan tan δ adalah khusus kepada sistem bahan dan keadaan ujian.
Dalam kebanyakan sistem polimer bersilang, E′ mungkin berubah dengan ketara melalui kawasan peralihan kaca apabila mobiliti molekul berubah. Kedudukan dan bentuk tindak balas ini bergantung pada perumusan, pembangunan rangkaian, tetulang, lembapan, sejarah terma dan keadaan ujian.
Perubahan dalam E′ dan puncak atau ciri lain dalam E″ dan tan δ boleh menghasilkan suhu peralihan yang ditetapkan berbeza. Sistem berbilang fasa atau heterogen mungkin mempamerkan ciri luas, bahu, atau lebih daripada satu tindak balas kelonggaran.
Oleh itu, sebarang suhu peralihan yang dilaporkan harus mengenal pasti kriteria pengukuran dan keadaan ujian yang digunakan. Suhu peralihan terbitan DMA tidak boleh ditukar ganti dengan suhu penguraian terma, suhu pesongan haba, nilai kekonduksian terma, hasil ujian kebakaran atau penilaian penggunaan berterusan.
Pengukuran DMA jangka pendek tidak boleh digunakan secara bersendirian untuk meramalkan penuaan haba jangka panjang, rayapan atau hayat perkhidmatan.
Kekerapan, Skala Masa dan Amplitud Terikan
Pengukuran viskoelastik bergantung pada kekerapan dan masa pemerhatian. Dalam julat tindak balas yang sesuai, perubahan frekuensi boleh mengubah E′, E″, tan δ, dan kedudukan ketara ciri peralihan. Arah dan magnitud perubahan ini bergantung pada struktur bahan, suhu dan konfigurasi ujian.
Amplitud terikan juga mempengaruhi tindak balas yang diukur. Data DMA biasanya ditafsirkan dalam julat di mana tindak balas adalah lebih kurang linear di bawah keadaan yang dinyatakan. Julat itu boleh berbeza-beza mengikut suhu, kekerapan, mod ubah bentuk, geometri spesimen dan pelaziman. Julat yang dikenal pasti di bawah satu syarat tidak boleh digunakan secara automatik pada keseluruhan program ujian.
Mod ujian, dimensi spesimen, lekapan, pengapit, dan arah bahan juga mempengaruhi keputusan. Data yang dijana menggunakan konfigurasi berbeza tidak boleh dibandingkan tanpa terlebih dahulu mewujudkan keserasian metodologi yang mencukupi.
Kimia Resin, Keadaan Penyembuhan dan Seni Bina Komposit
Tingkah laku viskoelastik bagi komposit fenolik boleh dipengaruhi olehkimia resin, keadaan penyembuhan, perumusan, pemprosesan, dan sejarah persekitaran.
Pembolehubah yang berkaitan mungkin termasuk kimia agen pengawet atau pemangkin, jadual penyembuhan, rawatan selepas penyembuhan, pembangunan rangkaian, kandungan meruap sisa, keliangan, penyaman lembapan dan sejarah penuaan terma. Perubahan dalam struktur rangkaian boleh menjejaskan modulus, tingkah laku peralihan, keliatan, dan pelesapan, tetapi arah dan magnitud bergantung pada formulasi dan keadaan ujian tertentu.
Sistem resin yang diubah suai mungkin menghasilkan spektrum viskoelastik yang berbeza bergantung pada kimia pengubah, keserasian, morfologi, serakan, dan interaksi dengan rangkaian yang diawet. Pengubahsuaian tidak boleh diandaikan untuk memaksimumkan kekakuan, pelesapan, keliatan, dan prestasi terma secara serentak.
Tindak balas komposit juga bergantung pada jenis tetulang, pecahan, panjang, seni bina, orientasi, serakan, rawatan permukaan, kualiti antara muka, kandungan lompang, konfigurasi lamina, arah ujian dan pemindahan beban.
Apabila jumlah komposisi dikekang, perubahan dalam kandungan resin juga boleh mengubah pecahan tetulang, impregnasi, pembentukan lompang, kawasan kaya resin dan kualiti antara muka. Kesannya pada E′, E″, atau tan δ tidak boleh disimpulkan daripada kandungan resin sahaja.
Sistem gentian berterusan, gentian pendek, tenunan dan zarah tidak boleh diterangkan menggunakan satu aliran umum. Dalam komposit anisotropik, keputusan yang diperoleh dalam arah bahan yang berbeza boleh berbeza dengan ketara.
Apa yang DMA Boleh dan Tidak Boleh Diwujudkan
DMA boleh menyokong penyaringan bahan, perbandingan formulasi, penilaian pengekalan kekakuan, dan pencirian tingkah laku lesap dan peralihan dalam keadaan yang diuji.
DMA sahaja tidak mewujudkan hingar tahap sistem, pengasingan getaran, rintangan hentaman, hayat keletihan, ketahanan struktur, prestasi kebakaran, hayat perkhidmatan jangka panjang atau kesesuaian komponen akhir. Hasil tersebut juga bergantung pada geometri, keadaan sempadan, sambungan, spektrum pemuatan, pendedahan alam sekitar, mekanisme kerosakan dan interaksi dengan bahan atau subsistem lain.
E″ atau tan δ yang lebih tinggi diukur pada spesimen makmal tidak menjamin komponen yang lebih senyap atau terpencil. Begitu juga, lengkung modulus DMA tidak mengesahkan perlindungan impak atau prestasi struktur jangka panjang.
Rangka Kerja Perbandingan Praktikal
Perbandingan bermakna data DMA memerlukan empat kumpulan maklumat.
A. Definisi Bahan
Kenal pasti gred resin dan kimia, sistem pengawetan, tetulang atau pengisi, seni bina dan orientasi, komposisi, penyediaan spesimen, sejarah penyembuhan, penyaman dan keliangan atau kecacatan yang berkaitan.
B. Definisi Ujian
Laporkan mod ubah bentuk, geometri spesimen, julat suhu, kekerapan, amplitud terikan, kadar pemanasan dan suasana yang berkaitan, dan asas yang digunakan untuk mewujudkan julat tindak balas yang sesuai.
C. Output yang Dilaporkan
Laporkan E′, E″, dan tan δ di bawah keadaan yang dinyatakan. Jika suhu peralihan ditetapkan, kenal pasti kriteria yang digunakan, seperti permulaan E′ atau ciri E″ atau tan δ. Maklumat kebolehulangan atau kebolehubahan spesimen hendaklah disertakan jika ada.
D. Tafsiran Aplikasi
Kaitkan ukuran dengan suhu dan julat frekuensi yang dimaksudkan, keperluan kekakuan, tindak balas berkaitan pelesapan dan kriteria bahan lain yang berkaitan. Pengesahan peringkat komponen kekal berasingan daripada tafsiran DMA peringkat bahan.
Rangka kerja ini bermaklumat dan bukannya protokol ujian universal. Kaedah, syarat, dan kriteria penerimaan hendaklah dipilih untuk bahan khusus dan aplikasi yang dimaksudkan.
Maklumat untuk Saringan Bahan Awal
Nilai TDS dan data DMA yang diterbitkan harus dianggap sebagai maklumat saringan awal dan bukannya jaminan prestasi.
Data yang dilaporkan mungkin tidak mewakili setiap kumpulan pengeluaran, arah spesimen, keadaan penyembuhan, sejarah pelaziman atau konfigurasi komposit akhir. Keputusan yang dihasilkan menggunakan makmal, instrumen, mod ubah bentuk, geometri atau kriteria pengurangan data yang berbeza tidak seharusnya dibandingkan tanpa mengesahkan keserasian metodologi.
Pelanggan industri yang mencari perbincangan teknikal awal boleh menyediakan fungsi resin yang dimaksudkan, seni bina komposit, jenis tetulang, keadaan penyembuhan yang berkaitan, suhu sasaran dan julat frekuensi, dokumentasi yang diperlukan dan kriteria prestasi khusus aplikasi.
Pembekal boleh menyediakan dokumentasi produk yang tersedia dan maklumat gred yang diterbitkan. Pemilihan bahan akhir dan pengesahan komponen hendaklah berdasarkan ujian perwakilan yang dijalankan atau dinilai oleh kakitangan berkelayakan pelanggan. Data DMA peringkat bahan sahaja tidak mewujudkan kesesuaian komponen akhir.
Kesimpulan
Tindak balas viskoelastik bagi komposit berasaskan resin fenolik mencerminkan interaksi kimia resin, keadaan penyembuhan, tetulang, antara muka, seni bina komposit, sejarah alam sekitar dan keadaan ujian.
DMA menyediakan maklumat tentang modulus storan, modulus kehilangan, faktor kehilangan dan gelagat peralihan dalam rangka kerja ujian yang ditentukan. Pengukuran ini bergantung kepada keadaan dan tidak boleh dianggap sebagai pemalar universal atau peramal langsung prestasi komponen siap.
Perbandingan yang bermakna memerlukan definisi bahan, sejarah spesimen, keadaan ujian, kriteria pelaporan dan keperluan permohonan yang dimaksudkan untuk dipertimbangkan bersama.
Kenalan
Pelanggan industri boleh menghubungi pembekal untuk meminta dokumentasi produk yang tersedia dan maklumat gred yang diterbitkan untuk penilaian awal.
Pelanggan boleh menyediakan fungsi resin yang dimaksudkan, struktur komposit, jenis tetulang, keadaan penyembuhan yang berkaitan, suhu sasaran dan julat frekuensi, dokumentasi yang diperlukan dan kriteria prestasi yang berkenaan. Komunikasi teknikal awal tidak membentuk jaminan redaman, prestasi struktur, hayat perkhidmatan, keselamatan atau pematuhan peraturan.
Rujukan
[1] Agarwal, BD, & Broutman, LJ (1990). Analisis dan Prestasi Komposit Gentian (edisi ke-2). John Wiley & Sons. ISBN: 978-0-471-51152-6.
[2] Fried, JR (2014). Sains dan Teknologi Polimer (3rd ed.). Pearson. ISBN: 978-0-13-703955-5.
[3] Menard, KP (2008). Analisis Mekanikal Dinamik: Pengenalan Praktikal (edisi ke-2). Akhbar CRC. Cetak ISBN: 978-1-4200-5312-8. https://doi.org/10.1201/9781420053135
[4] ASTM Antarabangsa. (2020). ASTM D4065-20: Amalan Standard untuk Plastik: Sifat Mekanikal Dinamik: Penentuan dan Laporan Prosedur. ASTM Antarabangsa. https://doi.org/10.1520/D4065-20