DK149829B - Apparat til undersoegelse af materialers dynamiske egenskaber - Google Patents

Description

149829

Opfindelsen angår et apparat til undersøgelse af materialers, navnlig visko-elastiske materialers, dynamiske egenskaber, hvilket apparat er af den i krav l's indledning angivne art.

For mange materialers vedkommende - herunder praktisk taget samtlige menneskeskabte kunststoffer - udgør de mekaniske egenskaber både under fremstillingen og i den færdige tilstand et sæt vigtige parametre, som skal kunne angives og reguleres nøjagtigt. Under de begyndende faser af udviklingen af et nyt polymermateriale eller en ny proces er forståelsen af. forholdet mellem den kemiske struktur og processens fysiske egenskaber af væsentlig betydning. Senere hen, i de faser der omfatter fremstillingen og kvalitetskontrollen, er sådanne faktorer som mekanisk styrke, målfasthed og varmestabilitet, samt slagstyrke, af den yderste vigtighed.

2 1Λ 982 9

Praktisk taget alle eksisterende kunststoffer er visko-elastiske, d.v.s. at deres reaktioner på mekaniske påvirkninger ligger et eller andet sted mellem hvad der svarer til en ren viskos væske og hvad der svarer til en fuldkomment elastisk fjeder. Meget få materialer opfører sig som en fuldkommen fjeder eller som en ren væske, idet deres opførsel snarere i almindelighed afhænger af tid og/eller temperatur, hvorfor der er blevet udviklet afprøvningsmetoder med henblik på kryb-ning, spændingsaflastning, rivning, slagstyrke o.s.v.. En af de vigtigere egenskaber for sådanne materialer, der søges oplyst, er materialets opførsel under dynamiske betingelser. For at undersøge denne egenskab, bestemmes materialets reaktion på en cyklisk spændingspåvirkning som funktion af temperatur, tid eller frekvens. Dersom f.eks. et prøvestykke af fast visko-elastisk stof deformeres og derpå frigives, vil en del af den oplagrede deformationsenergi blive tilbagegivet med en hastighed, som er en grundlæggende egenskab ved materialet. Dette betyder at prøvestykket undergår dæmpede svingninger. En del af deformationsenergien afgives som anden energi, og jo mere der afgives på denne måde, desto hurtigere klinger svingningerne af. Dersom den afgivne energi føres tilbage, vil prøven svinge eller vibrere ved sin naturlige frekvens eller resonansfrekvens. Resonansfrekvensen afhænger af prøvens elasticitetsmodul eller stivhed. Energiafgivelsen står i forhold til sådanne egenskaber som slagstyrke, skørhed, lyddæmpning o.s.v..

På grund af materialernes visko-elastiske karakter er spændingerne og deformationerne i dem ikke i fase med hinanden, og udviser faktisk en art hysterese. Dersom dette forhold vises grafisk, vil arealet af det af kurven omsluttede område svare til den energi, som i hver deformationscyklus afgives i eller af materialet. Med henblik på en mere nøjagtig beskrivelse af dette fænomen anvendes ofte en kompleks modul E = E' + jE" til at karakterisere materialet, hvor E er Young's modul (elasticitetsmodulen), E' er den reelle del og E" er den imaginære del. Modulens reelle del E' svarer til den i deformationen oplagrede energimængde og kan stilles i relation til fjederkonstanten, mens den imaginære del E" svarer til energitabet eller dæmpningen, og kan stilles i relation til den dæmpningskoefficient, der anvendes i differentialligninger af anden orden til at definere vibrerende systemer .

Et tidligere kendt apparat af den i krav 1's indledning angivne art er udviklet af Schilling i form af en dynamisk-mekanisk analysator, der er beskrevet i hans USA-patent nr. 3.751.977 af 14. august 1973.

3 149829 I Schillings apparat fastklemmes et prøvestykke mellem enderne på to stift monterede, elastisk bøjelige stænger. Det således dannede system sættes i svingninger ved sin resonansfrekvens, som tildels er bestemt af prøvestykket, så at prøvestykket udsættes for forskydningsspændinger. Stivheden i stængerne medfører en vis begrænsning vedrørende den laveste frekvens, hvormed dette apparat kan arbejde.

Apparatet ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved den i krav l's kendetegnende del angivne udformning. Ved at stængerne nu er lejret i veldefinerede svinglejer, i stedet for som tidligere selv at være bøjelige, opnås dels en betydelig forenkling af den mekaniske bevægelse, som systemet udfører, dels at prøvens indflydelse på svingningerne bliver relativt større, eftersom stængernes indflydelse er mindre. Dersom apparatet skal arbejde ved en resonansfrekvens, som alene bestemmes af prøven, anvendes "rene" svinglejer, f.eks. glidelejer, men for at undgå den herved fremkomne friktion, kan apparatet som angivet i krav 2 være udstyret med de såkaldte bøjningssvinglejer (eng. "flexure pivots"), der har en vis, ringe fjederkonstant.

Dersom apparatet, ligesom det fra Schillings ovennævnte USA--patent nr. 3.751.977 kendte apparat, har både prøveenderne på stængerne og driv- og måleorganerne anbragt til den samme side i forhold til svinglejerne, kan der opstå problemer i de tilfælde, hvor man ønsker at anbringe prøveenderne alene i f.eks. et varmekammer, hvori prøven underkastes varmebehandling. Disse problemer kan undgås ved den i krav 3 angivne udformning, hvorved det opnås, at prøveenderne ligger for sig selv og kan indføres i et varmekammer, uden at svinglejerne eller driv- og måleorganerne udsættes for varme eller forstyrrer varmebehandlingen af prøven. I så fald er apparatet hensigtsmæssigt udformet som angivet i krav 4, idet svingningerne ved denne udformning ikke bliver overført til eller påvirket af apparatets understøtning.

Den dynamiske afbalancering kan hensigtsmæssigt opnås ved hjælp af den i krav 5 angivne udformning af apparatet.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til det på tegningen viste udførelseseksempel på et apparat ifølge opfindelsen i form af en analysator og dele deraf, idet fig. 1 viser analysatoren, delvis i perspektiv og delvis i blokdiagram, fig. 2 er en grafisk fremstilling, der viser frekvens og dæmpning som funktion af temperaturen for et typisk prøvestykke, fig. 3 viser en anden udformning af en prøveholder, .der kan anvendes med den i fig. 1 viste analysator til prøver af flydende ma- 4 149329 terialer, som overgår til fast tilstand, og fig. 4 viser en anden udformning af en prøveholder til anvendelse med den i fig. 1 viste analysator til prøver med lav viskositet.

Den i fig. 1 viste dynamisk-mekaniske analysator omfatter et første og et andet langstrakt prøveorgan i form af en dreven arm 10 og en drivende arm 12, som er svingeligt lejret omkring hver sin svingakse 14 henholdsvis 16, så at de to arme 10 og 12 kan udføre svinge-bevægelser i et fælles plan - i det viste tilfælde et stort set vandret plan. Planet bør fortrinsvis være således orienteret, at tyngdekraften ikke indvirker på armenes bevægelser. Det bemærkes, at armene 10 og 12 kan være indrettet til at svinge i andre planer end vandrette planer, og de behøver strengt taget ikke at ligge nøjagtigt i det samme plan, selv om dette foretrækkes, da de spændinger, som prøven udsættes for, ellers ville blive mere komplicerede og forårsage fejl i måleresultaterne. Den svingelige lejring opnås fortrinsvis ved anvendelse af bøjningssvinglejer 18 (eng. "flexure pivots") af sædvanlig art, f.eks. som leveret af the Fluid Power Division of Bendix, Utica, New York 13.503, USA. Bøjningssvinglejerne 18 har en kendt fjederkonstant og en ringe tilbageføringskraft, så at de går tilbage til en fast midterstilling, og alligevel svinger om en enkelt akse - i dette tilfælde de lodrette svingeakser 14 og 16. Akserne kan mere generelt defineres som liggende vinkelret på det plan, hvori armene 10 og 12 svinger.

Som det er bekendt, omfatter disse bøjningssvinglejer koaksialt anbragte fjederorganer, som er krydsforbundet ved hjælp af diametralt anbragte stivere, så at det ene mellemliggende fjederorgan kan svinge eller bøje sig omkring det andet cylindriske fjederorgans akse. I det viste eksempel er bøjningssvinglejerne 18 indpasset i modsvarende (på tegningen) øvre og nedre boringer 20 i U-formede lejebærere 26 og 27 med stram pasning eller friktionspasning. De midterste dele af bøjningssvinglejerne 18, som kan svinge i forhold til lejernes ydre endedele, er fastklemt i armene 10 og 12 ved hjælp af i disse udformede langsgående slidser 22 og boringer 21, så at armene kan svinge i forhold til lejebærerne 27 henholdsvis 26. Fastklemningen kan understøttes ved hjælp af skruer 29, som når de tilspændes formindsker bredden af slidserne 22. Hver af disse slidser 22 kan ved den ene eller den anden ende eller begge ender have yderligere boringer 24, som også er udformet i armene 10 og 12 med henblik på at understøtte fastklemningen. Lejebærerne 26 og 27 er indstilleligt monteret på en fod 25. Lejebæreren 26 for den drivende arm 12 har en opslidset endedel, hvori er indpasset en knast 28, og er ved hjælp af boringen 21 lejret på en ikke 5 149829 vist tap i foden 25, så at den drivende arm 12 kan indstilles svinge-ligt omkring svingeaksen 16. Ved drejning af knasten 28 bevæges den opslidsede endedel i længderetningen af armen 12, når en i foden 25 indskruet monteringsskrue 13 er løsnet, hvorved vinkelstillingen af armen 12 omkring svingeaksen 16 kan indstilles. Dette gør det lettere at centrere den drivende arm i forhold til den nedenfor omtalte stillingsføler. Den drevne arm 10 kan indstilles i længderetningen ved hjælp af en stilleskrue 11, der er indskruet i en indstillingsklods 15, som er forskydeligt fastgjort til foden 25 ved hjælp af en skrue 17 gennem en i klodsen 15 udformet slids 19. En monteringsskrue 13 kan være indskruet i foden 25 med henblik på at fastlåse lejebæreren 27 efter indstillingen. Ved hjælp af disse langs- og tværgående indstillinger kan armene 10 og 12 indstilles med henblik på optagelse af et prøvestykke 30, der skal underkastes en dynamisk afprøvning.

Det prøvestykke 30 der skal afprøves - f.eks. et stykke elastomert materiale - er indrettet til at fastklemmes ved hjælp af dertil egnede prøvestykkeklemmer 32 mellem armene 10 og 12. De i fig. 1 viste prøvestykkeklemmer 32 er specielt udformet for faste prøvestykker, og de omfatter stort set U-formede organer 34, der er fastgjort til enderne af armene 10 og 12 ved hjælp af skruer 36, og som er indrettet til at omfatte gribeklodser 38, som ved hjælp af skruer 40 kan bringes til at gribe eller klemme enderne på prøvestykket 30. Forskelligt herfra udformede prøvestykkeklemmer for materialer af ikke-fast art og materialer med foranderlig viskositet skal beskrives nærmere under henvisning til fig. 3 og 4.

Den drevne arm 10 er dynamisk balanceret omkring svingeaksen 14 ved anvendelse af en kontravægt 42, så at der er lige store inertimomenter på hver side af svingeaksen 14. Den drivende arm 12 er således udformet, at den er dynamisk balanceret omkring svingeaksen 16, idet inertimomenterne på hver side af denne er lige store.Denne afbalancering opnås i dette tilfælde først og fremmest ved korrekt formgivning af armen. Den drevne ende 44 af den drivende arm 12 er gennem en mekanisk ledforbindelse, der er antydet med en afbrudt streg 46, aktiveret af en dertil egnet drivomsætter 48. Til dette formål kan der anvendes en hvilken som helst egnet drivomsætter. Normalt vil der blive anvendt et elektromagnetisk drivorgan eller en elektromekanisk omsætter af kendt art. Af omsættere af denne art er én omtalt i det ovenfor omtalte Schilling-patent. Som beskrevet af Schilling, omfatter drivorganerne 46-48 et magnetanker på armen 12, hvilket anker påvirkes af et elektromagnetisk felt, der frembringes af en drivspole, der er viklet omkring en ikke vist tap eller spoleform. Fortrinsvis anvendes en 6 149829 kontaktløs elektromekanisk omsætter af den art, der yder en konstant drivkraft.

En stillingsføler 50 kan være mekanisk ledforbundet, som antydet ved den afbrudte streg 52, med henblik på at afføle forskydningen eller stillingen af den drivende arm 12. Føleren 50 frembringer et udgangssignal, der står i relation til systemets naturlige frekvens eller resonansfrekvens, til en tilbagekoblingsforstærker 54, som i sin tur aktiverer drivomsætteren 48 til at tilvejebringe en medfase-drivning af den drivende arm 12, d.v.s. en drivkraft der er i fase med armens sideværts svingebevægelser. Fortrinsvis bør tilbagekoblingsforstærkeren 54 kun levere så meget mekanisk energi som er nødvendigt til at holde svingningsamplituden konstant. Dette medfører, at den til systemet leverede energi er et mål for de dæmpningstab, der forårsages af det prøvestykke, der er ved at blive afprøvet.

Svingningsampiituden kan holdes konstant ved anvendelse af en hvilken som helst dertil egnet teknik, jfr. f.eks. USA-patentskrift nr. 3.501.952 (Gergen, 24. marts 1970). En anden teknik, der kan anvendes til dette formål, omfatter at der foretages en spidsdetektering af udgangssignalet fra en forskydningsomsætter, hvorpå resultatet tilføres en integrator, hvis ene indgangssignal er en referencespænding. Integratoren frembringer et udgangssignal svarende til forholdet mellem amplituderne af de detekterede spidser og referencespændingen, hvilket udgangssignal anvendes til at styre drivomsætteren på en sådan måde, at svingningsamplituden holdes konstant. Derved kommer udgangssignalniveauet i integratoren til at udgøre et mål for prøvestykkets dæmpning. Alternativt kan tilbagekoblingsforstærkeren drives med konstant forstærkningsfaktor, så at amplituden af udgangssignalet fra føleren 50 er et mål for systemets dæmpning. De to arme 10 og 12 bør have i hovedsagen den samme naturlige frekvens.

Under anvendelse af analysatoren anbringes et prøvestykke af det materiale der skal afprøves, som f.eks. et stykke formstofmateri-ale, i prøvestykkeklemmerne 32, og skruerne 40 tilspændes, så at begge ender af prøvestykket gribes fast, hvorved prøvestykket udgør den eneste forbindelse mellem enderne på de to arme 10 og 12. Tilbagekoblings-forstærkeren 54 aktiverer drivomsætteren 48 til at frembringe en sideværts vibrationssvingning i den drivende arm 12. Denne bevægelse af-føles af stillingsføleren 50, hvorved der fremkommer et vekselstrømssignal til tilbagekoblingsforstærkeren 54, der holder systemet i svingning ved en frekvens, der er bestemt af systemets iboende resonansfrekvens. Tilbagekoblingsforstærkerens rolle er blot at tilføre tilstræk 7 149829 kelig energi til systemet til at holde svingningerne i gang. Disse svingninger styres med henblik på opnåelse af en konstant amplitude som beskrevet ovenfor. Herved er det muligt at måle systemets dæmpning som repræsenteret af amplituden af tilbagekoblingssignalet fra forstærkeren 54. Alternativt kan, som ovenfor bemærket, følersignalets amplitude anvendes som mål for dæmpningen.

Systemets resonansfrekvens er tildels bestemt af inertimomentet af de to arme 10 og 12 sammen med bøjningssvinglejerne 18's fjederkonstant samt den viskoelastiske modul for prøvestykket 30. Den svingende bevægelse af armene 10 og 12 bringer prøvestykket til at udføre en buebevægelse, mens prøvestykkets ender underkastes en bøjning, således som det er beskrevet i Schilling's ovenfor omtalte patentskrift.

Det vil kunne indses, at den viste og beskrevne analysator udviser mange fordelagtige egenskaber. Da begge armene 10 og 12 er lejret ved midten, og da svinglejerne udøver en forholdsvis ringe torsionskraft, er det muligt at arbejde med forholdsvis lave frekvenser af størrelsesordenen 1-3 Hz. På grund af denne lave frekvens vil prøvestykket yde et større procentvis bidrag til frekvensændringen. En yderligere fordel består i, at prøvestykket kan anbringes på den ene ende af armene, mens stillingsfølere og drivorganer kan anbringes ved den modsatte ende og i god afstand fra eventuelle termiske kamre, antydet ved 60 i stregpunktering, der anvendes til at omgive prøvestykket. Derfor vil de pågældende organer ikke blive påvirket af de ekstreme temperaturer i det termiske kammer. Da armene er dynamisk balanceret, er apparatets følsomhed over for vibrationer og stød væsentligt formindsket. Da svinglejerne udøver en ringe torsionskraft, vil prøvestykkets bidrag til systemets frekvens være tilsvarende større.

Som eksempel på en typisk anvendelse af den viste og beskrevne analysator kan anføres, at et prøvestykke af lineær polyethylen med stor tæthed blev fastspændt i prøvestykkeklemmerne 32. Stillingen af armene 10 og 12 blev som tidligere beskrevet indstillet ved hjælp af knasten 28 og skruen 11, så at afstanden fra svinglejerne til prøvestykket er lige store, hvorpå stillingsføleren 50 nulstilles. Skruerne 17 og 13 gør det muligt at indsætte prøvestykker af forskellig størrelse ved indstilling af den sideværts afstand mellem armene 10 og 12. Efter disse justeringer blev armene og prøvestykket sat i svingning ved systemets resonansfrekvens. Temperaturen i det termiske kammer 60 blev varieret, og der blev foretaget en registrering af frekvensen af stillingsføleren 50's udgangssignal og af den til dæmpningen svarende amplitude af tilbagekoblingsforstærkeren 54's udgangssignal, alt som funktion af prøvestykkets temperatur. Et typisk måleresultat er vist 149829 δ grafisk i fig. 2, og det vil kunne bemærkes, at frekvensen, der står i relation til fjederkonstanten eller modulens reelle komposant, falder med stigende temperatur. Ligeledes vil det kunne bemærkes, at der er dæmpningsspidser ved to forskellige temperaturer, hvad der kan skyldes egenskaber ved de kemiske bindinger i prøvestykkets materiale.

En prøvestykkeholder af den i fig. 3 viste udformning kan anvendes til afprøvning af materialer, hvis egenskaber ændres i betydeligt omfang i løbet af et tidsrum, som f.eks. varmehærdnende materialer, hvis modul ændres drastisk. Et typisk epoxy-system vil under hærdning-en ændre modul fra mindre end 10 dyn/cm til mere end 10 dyn/cm . Prøvestykkeholderne for dette materialesystem kan omfatte et par blokke 68, som ved hjælp af skruerne 36 er fastgjort til prøvetilslutningsenderne på armene 10 og 12. I hver blok 68 er der udformet et V-spor 70, idet de to V-spor vender opad og imod hinanden, så at en skruefjeder 72 af passende udformning og materiale, som f.eks. kobber, kan hvile i V-sporene.

Når der skal udføres en afprøvning af et væskesystem dyppes fjederen 72 først i væskesystemet, så at den gennemfugtes af dette. Fjederen 72 anbringes derefter i V-sporene 70. Den væskeformede prøve hæfter til fjederen 72 ved hjælp af overfladespændingen, idet eventuel overskydende væske delvis udfylder sporet, så at fjederen fastholdes tilstrækkeligt efterhånden som prøven stivner. Analysatoren tilføres energi, og prøven udføres som beskrevet ovenfor. Efter afslutningen af prøven trækkes fjederen 72 ud af V-sporene 70, som derefter rengøres.

Ved et typisk forsøg viste det sig, at en fjeder bestående af nr. 34 kobbertråd, der var opviklet på en dorn med en diameter på 0,1524 cm med 20 vindinger pr. cm, virkede efter hensigten. En prøvestykkeholder af denne art udviser den fordel, at den er geometrisk reproducerbar, at dens bøjelighed er tilstrækkelig til at dække hele det aktuelle modul-område, og at den er let at rengøre efter prøven.

Til undersøgelse af prøver, der er mere flydende, kan de i fig. 4 viste parallelle plader 74 anvendes i stedet for de i fig. 1 viste klemmer. Disse plader 74, som kan bestå af et hvilket som helst egnet materiale, som f.eks. rustfrit stål, fastgøres til prøveenderne på armene 10 og 12 ved hjælp af skruerne 36 på en sådan måde, at pladerne ligger med den ene oven over den anden (når armene 10 og 12 er vandrette) og begge stort set i det samme svingningsplan som armene 10 og 12. Hver plade 74 har en midterforhøjning 76, som tilvejebringer den egentlige berøring med prøven, idet de øvrige dele af pladerne 74 tjener til optagelse af eventuel overskydende væske. Midterforhøjningen 9 149829 76 er stort set rektangulær, og bestemmer det overfladeareal, som påføres væskeprøven. Dersom der således anbringes en prøve mellem pladerne, vil prøven blive udsat for forskydningsspændinger, når pladerne bevæger sig frem og tilbage i forhold til hinanden stort set langs med akser, som ligger både på langs og på tværs af armene 10 og 12, når disse bevæges fra side til side. Indstillingen af armene og udførelsen af prøven sker som beskrevet ovenfor, idet koblingen mellem armene i dette tilfælde er en væskekobling.

Det beskrevne apparat kan anvendes på mange områder, blandt' andet til karakterisering af polymere materialer. Da apparatet har et meget stort modul-område, kan det anvendes til at følge hærdningsprocesser gennem hele området fra væske til fast stof. Apparatet kan anvendes til måling af lav-energi-overgange af anden, orden, der fremtræder både som en dæmpningsspids (jfr. fig. 2) og en modul-ændring. Sådanne overgange er navnlig af betydning ved afprøvning af elastomere materialer - f.eks. i bildækindustrien - da den mekaniske dæmpning er et mål for energitabet eller varmeudviklingen i det elastomere materiale, f.eks. i et bildæk. Forskellige typer af polymere og elastomere materialer bliver ofte blandet sammen eller "sammenpodet" med henblik på forbedring af deres egenskaber, som f.eks. slagmodstandsdygtighed. Denne virknings udstrækning kan ses i relation til dæmpningsspidserne. En temperaturkurve for et polymermateriale (jfr. fig. 2) indeholder oplysninger vedrørende materialets morfologiske egenskaber. Dæmpningsovergangene, der betegnes som relaksationsprocesser af anden orden, er en følge af særlige molekyl-reorienteringsprocesser, som er en nøgle til forståelse af polymermaterialets strukturmæssige og fysiske egenskaber .

I stedet for de viste bøjningssvinglejer kan der også anvendes andre arter af svinglejer, som f.eks. et fritløbende leje. Sådanne svinglejer kan anvendes med prøvestykker af fast stof, men de medfører vanskeligheder ved afprøvning af væskeprøver, da der er for lidt tilbageføringskraft til at opretholde svingningerne. Det bør også bemærkes, at analysatoren kan drives med konstant eller programstyret frekvens, dersom dette ønskes. Som endnu et alternativ kan nævnes, at svinglejerne kan anbringes ved enderne af armene 10 og 12 i stedet for ved disses midte.