Method Article
В данном исследовании представлен протокол, описывающий использование механолюминесцентной (ML) визуализации для мониторинга распространения трещин и механического поведения при проведении оценочных испытаний клеевых соединений.
В этом исследовании демонстрируются и объясняются методы механолюминесцентной (ML) визуализации распространения трещин и механического поведения для оценки адгезивных соединений. Первым этапом была подготовка проб; воздушный спрей использовался для нанесения краски ML на поверхность образцов клеевого соединения. Производительность датчика ML была описана для изучения условий измерения. Результаты зондирования ML во время испытания двойного консольного пучка (DCB) и теста на сдвиг (LS) демонстрируются, поскольку они являются наиболее часто и широко используемыми методами оценки клеев. Первоначально было трудно напрямую количественно оценить наконечник трещины и распределение деформации/напряжения и концентрацию, поскольку наконечник трещины был слишком мал, и эффекты деформации не могли наблюдаться. Механолюминесценция, распространение трещин и механическое поведение во время механических испытаний могут быть визуализированы с помощью шаблона ML во время оценки клея. Это позволяет распознавать точное положение наконечников трещин и другие механические поведения, связанные с разрушением конструкции.
Механолюминесцентные (ML) чувствительные материалы представляют собой функциональные керамические порошки, которые многократно излучают интенсивный свет под механическими стимулами. Это явление наблюдается даже в пределах областей упругой деформации 1,2,3,4. При диспергировании на поверхности структуры отдельные частицы ML функционируют как чувствительные механические датчики, а двумерный (2D) паттерн ML отражает динамическое распределение деформаций. Схема излучения ML представляет собой механическое моделирование распределения деформаций 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 (рисунок 1A).
Как показано на рисунке 1B, датчики ML были применены для визуализации двумерных (2D) и трехмерных (3D) динамических механических поведений в процессах упругости, пластика и разрушения с использованием образцов купонных испытаний, включающих последние усовершенствованные легкие конструкционные материалы (например, высокопрочная сталь 5,6, алюминий, армированный углеродным волокном пластик [CFRP]7), клеевое соединение для конструкцииустойчивости к повреждениям 8, 9,10,11, и компоненты продукта (например, зубчатый и гибкий электронный файл для складных телефонов12, а также сложные клеевые и/или сварочные соединения, используемые для проверки автоматизированного проектирования [CAE) приводят к лабораторным испытаниям 2,8,9,10,11 ). Кроме того, датчики ML успешно используются в практических приложениях, таких как мониторинг состояния конструкций (SHM) зданий и мостов для обнаружения распространения трещин или вероятности концентрации деформации, приводящей к структурной деградации 2,6,13, мониторинг распространения внутренней трещины в межламинарных слоях 7,9, прогнозирование срока службы водородных сосудов высокого давления 9, ударные испытания подвижности для визуализации распространения или возбуждения ударной волны в вибрационном режиме14 и визуальное зондирование спортивных инструментов для определения соответствующих физических настроек для увеличения шансов на победу. В протоколе визуализация ML была выбрана для мониторинга распространения трещин и последующих изменений механического поведения во время тестирования клеевого соединения.
Есть несколько причин для выбора этой темы. Первой причиной является значительное увеличение важности адгезивных соединений в последние годы. В последнее время, в связи с необходимостью значительного сокращениявыбросов CO2 и энергосбережения, различные типы легких материалов были разработаны и применены в отраслях мобильности и транспорта, таких как автомобили, самолеты и поезда. В рамках этой тенденции адгезивная технология приобрела значение в качестве ключевой технологии для свободного соединения различных легких материалов (разнородных стыков материалов) в стратегии15 с несколькими материалами. Кроме того, метод визуализации ML для определения адгезионной прочности, особенно в разнородных материалах, был предложен различными международными стандартами 16,17,18,19,20. Оценка адгезионной прочности по существу является разрушающим контролем, а полученную адгезионную прочность можно в основном классифицировать на два типа: (1) энергия ударной вязкости разрушения (Gc), которая определяется с помощью положения распространения трещины при нанесении нагрузки, и (2) адгезионная прочность, которая определяется с помощью нагрузки при разрыве клеевого шва. Хотя испытание двойной консольной балкой (DCB) и испытание одинарным сдвигом (LS) являются репрезентативными методами оценки ударной вязкости на разрушение и адгезионной прочности, соответственно, и представляют собой наиболее часто используемые методы адгезивных испытаний во всем мире 15,16,17,18,19,20 , кончик трещины слишком мал, чтобы различать распределение напряжений/деформаций. Следовательно, значение энергии прочности разрушения (Gc) сильно разбросано. В результате рекомендаций исследователей, изучающих клеи и других лиц в отрасли, была исследована механолюминесцентная (ML) визуализация для мониторинга распространения трещин и последующих изменений в механическом поведении во время оценочных испытаний клеевых соединений 8,9,10,11,21 . Вторая причина выбора этой темы в этом протоколе заключается в том, что напряжение / деформация сильно сконцентрирована на кончике трещины, которая генерирует интенсивную механолюминесценцию в точке ML во время распространения трещины, и это потенциально самая удобная методология среди различных приложений тестирования ML. Кроме того, этот метод может быть использован без передового опыта в подготовке образцов и высокоэффективных материалов ML.
Поэтому в данном исследовании объясняется протокол визуализации ML для мониторинга распространения трещин и последующих изменений механического поведения при оценочном тестировании клеевого соединения, как показано на рисунке 2.
Настоящее исследование проводилось с использованием образцов DCB. DCB является стандартным испытательным образцом, который часто используется для изучения механики роста трещин и разрушения 16,17,18.
1. Подготовка испытуемого образца
2. Измерение ML для теста DCB
3. Измерение ML для испытания на сдвиг (LS)
4. Информация для измерения ML и анализа данных
Изображения и фильмы ML во время теста DCB и LS были собраны с использованием двухсторонних и четырехсторонних камер соответственно.
На рисунке 5C показаны изображения ML и фильмы в боковом виде, которые можно использовать для распознавания наконечника трещины. Кроме того, показано, что вид сверху отражает фронт отказа во время распространения трещины во время испытания DCB. При этом прицепляли пескоструйный алюминий (А5052, см. Таблицу материалов), клей состоял из двух компонентов эпоксидного клея, а геометрия соответствовала международным стандартам. Что касается поведения ML на вид сбоку, интенсивная механолюминесценция наблюдалась в положении начальной трещины из-за концентрации деформации в этой точке. Впоследствии на клеевом слое наблюдалось движение точки ML, отражающей кончик трещины, во время распространения трещины. С использованием изображений ML в тесте DCB положение наконечника трещины во время распространения трещины было определено и использовано для расчета длины распространения трещины (a) и связанной с ней ударной вязкости, G1c, как это объясняется на этапе 2.2.7.
На рисунке 6B показаны контурные изображения и фильмы ML во время теста LS. Изображения и фильмы были записаны с помощью системы четырехсторонних камер. При этом адгезивами были пескоструйные алюминиевые (А5052), а клей представлял собой двухкомпонентный эпоксидный клей. На фиг.6В четко представлена информация о механическом поведении в процессе разрушения однополосого клеевого соединения. Короче говоря, интенсивная механолюминесценция впервые наблюдалась на краях адгезивно связанных и притирающихся областей. Во-вторых, точки ML переместились от края клея к центру вдоль клеевого слоя, чтобы появиться вместе в левом и правом видах изображения ML. Наконец, после объединения двух точек ML в центре, в центральной точке адгезивного слоя наблюдалась интенсивная механолюминесценция. Изображения ML в тесте LS могут быть использованы для понимания механического поведения адгезивных соединений во время процесса разрушения, который трудно смоделировать.
Рисунок 1: Свойства датчика ML. (A) Механолюминесценция при растягивающей нагрузке для пластины из нержавеющей стали с отверстием и численный анализ (моделирование) распределения деформаций Мизеса. (B) Примеры визуального зондирования ML для визуализации динамического 2D/3D механического поведения изделий, конструкционных материалов и материалов для 3D-печати при применении механической нагрузки, вибрации и удара. Стрелки с буквой «F» указывают направление силы при механической нагрузке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Визуальное зондирование ML для различных международно стандартизированных испытаний на адгезивную оценку. Эти стандарты описывают методы получения различных показателей адгезионной прочности, таких как энергия ударной вязкости при разрушении (Gc), прочность на сдвиг при растяжении (TSS), прочность на отслаивание и прочность на перекрестное натяжение (CTS). Стрелки указывают направление силы при механической нагрузке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Нанесение сенсорной краски ML. (A) Примеры ml-краски и баллончиков и (B) фотография распыления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Иллюстрация образцов, распыленных краской ML. (A) Образец DCB и (B) образец LS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Измерение ML во время теста DCB. (A) Фотография экспериментальной установки и (B) иллюстрация положения камеры. (C) Измерение ML во время испытания DCB. CAM 1 и CAM 2 обозначают ПЗС-камеру, описанную на шаге 2.1.2. Стрелки указывают направление силы при механической нагрузке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Измерение ML во время теста LS. (A) Экспериментальная установка и (B) измерение ML во время теста LS с использованием четырехпозиционной системы камер. Стрелки указывают направление силы при механической нагрузке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Основные свойства используемого датчика ML. (A) Интенсивность ML в циклах нагрузки и (B) связь между интенсивностью ML и AG и временем ожидания после возбуждения с использованием синего светодиода. Вставка иллюстрирует определение интенсивностей ML и AG в кривой яркости времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 8: Сравнение выражений ML в изображениях ML. (A) Необработанное изображение в 12-битных оттенках серого и (B) контурное изображение. Стрелки с буквой «F» указывают направление силы при механической нагрузке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Фильм 1: ВИДЕО ML во время теста DCB. Скорость записи: 1 кадр в секунду. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот фильм.
Фильм 2: ML фильм во время теста LS. Скорость записи: 25 кадров в секунду. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот фильм.
Дополнительный рисунок 1: Методы различения положения точки наибольшей интенсивности ML. (A) Визуальный контроль, (B) программное обеспечение для обработки изображений и (C) система автоматического мониторинга. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
С точки зрения поведения ML, наблюдаемого со стороны, интенсивная механолюминесценция, возникающая из концентрации деформации, была зарегистрирована на кончике исходной трещины (рисунок 5C). Впоследствии наблюдалось движение точки ML вдоль клеевого слоя во время распространения трещины, отражая кончик трещины. В предыдущих исследованиях микроскопические наблюдения показали, что самая высокая точка ML была всего на 0-20 мкм впереди кончика трещины и может быть принята в качестве эталона для положения наконечникатрещины 8. В обычном методе наконечник трещины идентифицируется с помощью визуального осмотра, но это приводит к значительному количеству человеческой ошибки из-за небольшого размера наконечника трещины даже при использовании увеличительного стекла. В частности, требуется терпение, чтобы отметить положение наконечника трещины во время испытания DCB, которое, в свою очередь, требует нескольких минут, особенно для структурных клеевых соединений 16,17,18. Поэтому визуализация ML в тесте DCB важна для определения положения наконечника трещины автоматически и с более высокой точностью. Ранее было показано, что положение и форма линии ML на вид сверху синхронизируются с передней линией разрушения трещины в клеевом слое9. Поэтому зондирование ML в верхнем виде адгезивного использовалось в качестве индикатора внутренних трещин с внешней поверхности адгезивного.
Однако ограничения этого метода включают темную тестовую среду и снижение интенсивности ML и AG во время теста DCB в течение нескольких минут, как показано на рисунке 7B. Это приводит к неясной точке ML и схеме AG, которые отражают кончик трещины и геометрию образца соответственно. Чтобы преодолеть это ограничение, инфракрасный свет, такой как свет на длине волны 850 нм, который не влияет на материал SrAl2O4: Eu2 + ML, был использован для облучения образца DCB во время теста DCB для уточнения состояния образца9. Альтернативно, синий свет при 470 нм используется для освещения образца в течение 1 с каждые 5 мин или 10 мин для восстановления интенсивностей ML и AG даже во время тестирования DCB 2,9, как описано на рисунке 7A.
Контурные изображения ML и фильмы во время теста LS были записаны с использованием системы четырехсторонних камер (рисунок 6C). При этом адгезивами были пескоструйные алюминиевые (А5052), а клей представлял собой двухкомпонентный эпоксидный клей. Значение прочности на сдвиг при растяжении (TSS) составило 23 МПа, которое было рассчитано с использованием значения нагрузки (N) при разрыве при растягивающей нагрузке и адгезионной связанной площади (мм2). Кроме того, значение СТШ можно рассматривать как показатель прочности конструкционного клеевого соединения18. Хотя значение TSS обычно используется в качестве показателя адгезионной прочности, фоновые физические свойства, такие как механическое поведение, которые имеют решающее значение для улучшения конструкции соединения, не исследовались.
Изображения ML четко предоставили информацию о механическом поведении в процессе разрушения однополосого клеевого соединения (рисунок 6C). Короче говоря, интенсивная механолюминесценция впервые наблюдалась на краю адгезивно связанной и притирочной области, что показывает концентрацию деформации на ранней стадии теста LS. Во-вторых, точки ML переместились от обоих клеевых краев к центру вдоль клеевого слоя, чтобы появиться вместе в левом и правом видах изображений ML. Это указывает на деформацию сдвига и распространение трещины вдоль адгезивного слоя, что в данном случае обозначает когезивный отказ (CF).
Кроме того, линии ML на переднем и заднем видах указывали на возникновение распространения трещин, что является тем же явлением, что и в тесте DCB. Наконец, после того, как две точки ML объединились в центре, в центральной точке адгезивного слоя наблюдалась интенсивная механолюминесценция. Это указывало на концентрацию деформации в адгезивном слое и последующее образование поперечной трещины по всему адгезивному слою, аналогичной предыдущей работе11. Эта информация полезна для определения местоположения концентрации напряжения/деформации. Следовательно, это означает, что для достижения прочной и надежной конструкции соединения требуется улучшение дисперсии напряжений.
В отличие от теста DCB, тест LS вызывает высокоскоростной разрыв клеевых соединений. Тест LS генерирует высокую скорость деформации в адгезивном слое, за которой следует очень интенсивная механолюминесценция, которая насыщается в записанном ml-изображении, накапливает много событий в одном изображении и производит неясное изображение ML. В этих случаях интеллектуальный выбор скорости записи может быть использован для устранения неполадок (например, выбор высокой скорости записи, такой как 25 кадров в секунду, которая соответствует скорости события в тесте LS)11.
Авторам нечего раскрывать.
Это исследование было поддержано новаторским проектом, заказанным Организацией по развитию новой энергетики и промышленных технологий (NEDO) и Программой исследований и разработок по продвижению инновационных чистых энергетических технологий посредством международного сотрудничества (JPNP20005) по заказу NEDO. N. T. благодарен Shimadzu Co. за предоставление программного обеспечения для автоматического мониторинга для различения точек наибольшей интенсивности ML на дополнительном рисунке 1. Н.Т. признателен г-же Я. Ногами и г-же Х. Кавахаре за распыление краски ML для тестирования ML. Кроме того, Н.Т. признателен г-же Й. Като, г-же М. Исеки, г-же Й. Сугава, г-же К. Хиракаве, г-же Й. Сакамото и г-же С. Сано за помощь в измерениях и анализе ОД в группе 4D-визуального зондирования (АИСТ).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Aluminum plate | Engineering Test Service Co.,Ltd. | A5052 | A5052 is defined name as quality of aluminum in standards. |
Blue LED | MORITEX Co. | MBRL-CB13015 | |
Camera | Baumer | TXG04 or VLU-12 | CCD or CMOS |
Coating thickness gauge | KETT | LZ-373 | |
Epoxy adhesive | Nagase ChemteX Co. | Denatite2202 | structual adehsive |
ImageJ | National Institutes of Health | Image J 1.53K | Image processing software |
Mechanical testing machine | SHIMADZU Co. | EZ Test EZ-LX | |
Mechanoluminescnet (ML) paint | Sakai Chemical Industry Co. Ltd. | ML-F2ET3 | The ML paint in 1.1 is 2 components epoxy paint , and consisting of epoxy main reagent and curing reagent as described in 1.2.1. SrAl2O4:Eu2+ ML ceramic perticle is including in main epoxy reagent. |
Microscope | keyence | VHX-6000 | |
Stainless steel plate | Engineering Test Service Co.,Ltd. | SUS631 | A631 is defined name as quality of stainless steel in standards. |
Viscometer | Sekonic. Co. | Viscomate VM-10A |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены