Determinando a Energia de Rasgo Crítica de Filmes Finos do Polímero Usando uma Máquina de Teste Universal

Assuntos Cobertos

Introdução
Teoria
Experiência
Resultados
Conclusões
Referências
Sobre Tecnologias de Agilent

Introdução

O interesse em filmes finos do polímero está aumentando nas ciências biológicas e no semicondutor que empacotam, assim como em sua aplicação popular como materiais de empacotamento. Os Pesquisadores igualmente estão mostrando o interesse em estudar esforços e o comportamento mecânicos da fractura nos materiais biológicos macios [1, 2]. Em muitas tais aplicações, o polímero fino filma esforços mecânicos severos da experiência durante ambos que seguram e o uso real. Quando a maioria destes filmes forem duráveis sob esforços elásticos, são falha muito inclinada em cima do rasgo. Assim, é bastante importante conhecer a taxa de liberação da energia crítica durante a fractura dos filmes para o projecto material exacto.

Uma técnica utilizada geralmente para medir a energia de fractura crítica durante a fractura borracha-como de materiais é um teste do calças-rasgo [3]. Este método obteve seu nome porque o espécime para estes testes consiste em um corte de folha retangular ao longo de sua linha central longa para formar uma amostra calças-dada forma (veja Figura 1). Os pés do `' do espécime das calças são puxados então dentro oposto aos sentidos para criar a acção de rasgo. A Determinação da energia de fractura crítica de outros métodos do teste exige a determinação exacta do comprimento da rachadura, visto que a liberação da energia crítica e a taxa de propagação de rachadura durante um teste do calças-rasgo são independente do comprimento da rachadura e da geometria da amostra.

Figura 1. Diagrama Esquemático do espécime do teste do calças-rasgo.

Este artigo do resumo detalha um estudo recente para determinar as energias de fractura críticas durante uma fractura de rasgo de dois tipos diferentes de fitas de empacotamento. Uma máquina de teste universal avançada (UTM) das Tecnologias de Agilent foi utilizada para o trabalho apresentado. O Agilent T150 UTM emprega uma cabeça de impulso nanomechanical do transdutor para produzir a carga na amostra usando a actuação eletromagnética combinada com um calibre capacitivo preciso, entregando a sensibilidade proeminente sobre uma grande escala da tensão.

Teoria

A energia de fractura crítica de um teste do rasgo é sabida igualmente como a energia de rasgo, que é a energia gastada pela espessura da unidade pelo aumento da unidade do comprimento da rachadura. A energia de Rasgo inclui a energia de superfície, a energia dissipada em processos de fluxo plástico, e a energia dissipada irreversìvel em processos viscoelastic. A vantagem de usar o teste do calças-rasgo encontra-se na suposição que todas estas mudanças na energia são proporcionais ao comprimento da rachadura e estão afectadas primeiramente pela deformação à proximidade da rachadura-ponta. Daqui, a energia total é independente da forma do espécime do teste e a maneira as forças é aplicada. Ou seja embora a distribuição do esforço na ponta de uma rachadura do rasgo seja complexa, é independente do comprimento da rachadura [4].

Em termos matemáticos, o trabalho feito durante um teste do rasgo pode ser dado perto:

onde F está a força e o Δc de rasgo estão a uma distância do rasgo [3]. É importante notar que as mudanças na extensão do material entre a ponta do rasgo e os pés são insignificantes e estiveram ignoradas nesta equação.

A energia de rasgo, ou a energia de fractura crítica, podem ser escritas como:

onde B é a espessura do espécime. Daqui, combinando as Equações 1 e 2:

Pode-se confirmar da Equação 3 que a energia de rasgo crítica é independente da geometria da amostra e do comprimento iniciais da rachadura. A energia de rasgo crítica poderia igualmente ter sido calculada usando a Equação 2, embora uma medida mais complicada do comprimento da rachadura antes e depois de que o teste do rasgo é necessário conseguir bons resultados.

Experiência

Duas fitas diferentes do polímero foram usadas para este estudo: Fita Mágica Escocêsa 810 de 3M (isto é, Amostra A) e Fita Dobro Permanente da Vara do Corporaçõ de Henkel (isto é, Amostra B). Da folha de dados material da segurança (MSDS) da Amostra A, o material do filme é sabido para ser o acetato de celulose [5]. Tal informação não está disponível para a Amostra B; contudo, as fitas as mais frente e verso são feitas do polipropileno.

A espessura da Amostra Ais 59μm, visto que a espessura de Bis 72μm da Amostra. Uma rachadura afiada ao longo da dimensão longa de cada espécime foi introduzida usando uma lâmina de lâmina afiada. Então os dois pés do `' foram colados a duas partes pequenas do cartão e montados no T150 UTM usando os apertos padrão do molde, segundo as indicações de Figura 2.

Figura 2. Montagem do espécime do teste do rasgo no Agilent T150 UTM usando apertos padrão do molde.

Os testes de rasgo foram executados sob a carga quasistatic em uma taxa da extensão de 100μm/s. A carga em valores do espécime e da extensão do espécime foi gravada durante a carga, o rasgo, e o descarregamento do espécime. Três espécimes diferentes de cada tipo de fita do polímero foram estudados para obter uma ideia da variação estatística.

Resultados

As curvas da carga-extensão para as Amostras A e B são mostradas em Figuras 3 (a) e 3 (b), respectivamente. É claramente evidente destes resultados que toma a uma força muito mais baixa à Amostra A do rasgo comparada Para Provar o B.

A Figura 3. resposta da Carga-Extensão durante o teste do calças-rasgo para (a) a Amostra A e (b) Provam o B.

Os segmentos não-lineares das curvas, antes do rasgo e durante o descarregamento, correspondem à energia de tensão armazenada nos pés do espécime. A força média durante o processo de rasgo para a Amostra A é 49mN e para a Amostra B é 100mN. É importante notar que as flutuações pequenas nos valores da força durante o rasgo são não ruído do instrumento mas um pouco devido ao comportamento do vara-enxerto observado durante a fractura em muitos polímeros. Os máximos ocorrem quando a rachadura estende e os mínimos representam a apreensão da rachadura [6]. O intervalo destas flutuações relaciona-se o mais provavelmente à morfologia do material, tal como a distribuição de fases cristalinas e amorfas. Contudo, a caracterização microstructural sistemática é necessário compreender inteiramente o comportamento do vara-enxerto.

As energias de rasgo calculadas (Equação 3) para ambas as amostras são alistadas na Tabela 1, junto com a espessura de rasgo da força e de filme. A Amostra B exibe a energia mais altamente de rasgo comparada Para Provar o A. Um usaria a Amostra B nas aplicações onde uma resistência mais alta ao rasgo é necessário.

Os Resultados da Tabela 1. do calças-rasgo testam em filmes do polímero.

  Espessura de Filme
(µm)
Força de Rasgo
(manganês)
Energia de Rasgo Crítica
(N/m)
Prove A 59 52 ± 2 ± 1750; 80
Amostra B 72 97 ± 1 ± 2700; 22

A energia de Rasgo é do interesse particular para projetar materiais e microestrutura de filmes finos do polímero para aplicações diferentes. Note que a natureza exacta da morfologia material e seu efeito na energia de rasgo eram fora do âmbito deste estudo. O trabalho Futuro pode potencial derramar mais luz no processo da fractura de filmes diferentes do polímero.

Conclusões

A energia de rasgo crítica para duas fitas disponíveis no comércio do polímero foi medida através dos testes do calças-rasgo usando um Agilent T150 UTM. A capacidade do instrumento para medir cargas pequenas, junto com sua definição alta da força, permitiu a captação das variações na força durante o rasgo dos filmes finos do polímero, que devem inspirar estudos novos determinar o efeito da morfologia e da cristalinidade na natureza exacta da propagação de rachadura nestes filmes. Os testes Similares do rasgo podem igualmente ser executados em outras amostras biológicas, tais como os microalgae, onde é difícil controlar as dimensões da amostra.

Referências

1. Mach, K.J., D.V. Nelson, e M.W. Denny, “Técnicas para prever as vidas de macroalgae onda-varridos: uma primeira demão no crescimento dos mecânicos e de rachadura da fractura,” Jornal da Biologia Experimental, 2007. 210: p. 2213-2230.
2. Mach, K.J., e outros, “Morte por forças pequenas: uma análise da fractura e da fadiga de macroalgae onda-varridos,” Jornal da Biologia Experimental, 2007. 210: p. 2231-2243.
3. Divisão, I.M. e J. Sweeney, As Propriedades Mecânicas dos Polímeros Contínuos 2008: John Wiley e Filhos, Ltd.
4. Greensmith, H.W. e A.G. Thomas, “Ruptura da borracha. III. Determinação de propriedades do rasgo,” Jornal da Ciência do Polímero, 1955.18(88): p. 189-200.
5.
http://www.ivinc.com/pdf/MSDS/Scotch%20Magic%20Tape,%20Post-It%20Notes,%20Post-It%20Flags.pdf.
6. Anderson, T.L., Mecânicos da Fractura: Fundamentos e Aplicações: Imprensa do CENTRO DE DETECÇÃO E DE CONTROLO.

Sobre Tecnologias de Agilent

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Date Added: May 17, 2012 | Updated: Jul 15, 2013

Last Update: 15. July 2013 16:28

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