Name: mechanoluminescent visualization of crack propagation for joint evaluation
Uploaded: 2023-01-06T12:50:00
Duration: 4 min 58 s
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Cette recherche a été appuyée par un projet novateur commandé par la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) et le Research and Development Program for Promoting Innovative Clean Energy Technologies through International Collaboration (JPNP20005) commandé par NEDO. N. T. remercie Shimadzu Co. d’avoir fourni le logiciel d’autosurveillance permettant de distinguer les points d’intensité ML la plus élevée dans la figure supplémentaire 1. N. T. remercie Mme Y. Nogami et Mme H. Kawahara d’avoir pulvérisé la peinture ML pour les tests ML. En outre, N. T. remercie Mme Y. Kato, Mme M. Iseki, Mme Y. Sugawa, Mme C. Hirakawa, Mme Y. Sakamoto et Mme S. Sano pour leur aide aux mesures et analyses ML dans l’équipe de détection visuelle 4D (AIST).

La présente étude a été menée à l’aide d’échantillons de DCB. Le DCB est un éprouvette standard souvent utilisé pour étudier la croissance des fissures et la mécanique de la rupture16,17,18.
1. Préparation de l’éprouvette
<ol><li>Effectuer un prétraitement de surface avant l’application de la peinture ML (voir le tableau des matériaux). Essuyez la surface de l’éprouvette (sur laquelle l’utilisateur veut pulvériser la peinture ML) avec un solvant tel que l’alcool isopropylique (IPA) ou l’éthanol pour le dégraissage de surface.</li>
	<li>Préparez et appliquez la peinture ML en suivant les étapes ci-dessous.<ol><li>Peser 20 g du réactif époxy principal pour la peinture ML (voir le tableau des matériaux), y compris le matériau SrAl2O4:Eu 2+ ML, et 3,1 g du réactif de durcissement, et les mélanger avec un solvant organique tel que le toluène et l’acétate d’éthyle dans une tasse à mesurer pour obtenir une viscosité de 100 mPa·s.</li>
		<li>Appliquez la peinture ML sur la surface de l’échantillon DCB par pulvérisation à l’aide d’un spray à air ou d’une bombe aérosol (Figure 3).</li>
		<li>Sécher progressivement l’échantillon pendant la nuit à température ambiante. REMARQUE: La peinture ML a été préparée en mélangeant des résines ML et polymères. Les matériaux ML 1,2,3,4 et les matériaux polymères peuvent être utilisés par opposition aux peintures ML commerciales. Cependant, le protocole de cette étude est décrit à l’aide de peintures commerciales ML ou de bombes aérosols (comme le montre la figure 3) pour assurer un bon rendement. Bien que le taux de teneur en ML dépende de l’efficacité, 25 % en poids ou plus de 50 % en poids du matériau ML ont été choisis comme taux de teneur dans la peinture ML22. La viscosité décrite à l’étape 1.2.1 a été évaluée à l’aide d’un viscosimètre 8,9 (voir le tableau des matériaux).</li>
	</ol></li>
	<li>Après traitement, durcir l’échantillon en chauffant la peinture ML pulvérisée sur l’échantillon à 80 °C pendant 1 h. NOTE: Les conditions du post-traitement doivent se situer dans la plage de conditions appropriées pour le durcissement de la résine de la peinture ML et qui n’affectent pas l’éprouvette et les performances de collage.</li>
	<li>Effectuez une confirmation de qualité.<ol><li>Confirmez que la peinture ML pulvérisée est à peu près uniforme sur la surface.</li>
		<li>Déterminer une épaisseur d’environ 50 à 100 μm à l’aide d’un microscope ou d’un calibred’épaisseur de revêtement 8 (figure 4). REMARQUE: Une faible épaisseur est appropriée pour empêcher la distribution de la charge dans le réactif époxy ML. L’uniformité de la peinture ML pulvérisée est nécessaire pour utiliser la visualisation ML pour les tests adhésifs car une mécanooluminescence intense peut être observée à l’extrémité de la fissure en raison de la concentration élevée de contrainte. Par conséquent, la peinture ML pulvérisée est exprimée comme étant « à peu près uniforme » à l’étape 1.4.1.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Mesure ML pour le test DCB
<ol><li>Pour la configuration expérimentale de la mesure ML, effectuez les étapes suivantes.<ol><li>Monter l’échantillon pulvérisé de peinture ML sur la machine d’essai mécanique en utilisant un zig spécial (voir le tableau des matériaux) pour l’essai DCB16,17,18, comme le montre la figure 5A. NOTE: Les échantillons d’essai DCB doivent être conformes aux normes internationales pour les tests DCB16,17,18.</li>
		<li>Placer des caméras (un CCD, un dispositif à couplage de charge ou un CMOS, semi-conducteur complémentaire à oxyde métallique; voir le tableau des matériaux) devant chaque surface de l’éprouvette de telle sorte qu’elles soient orientées vers la position de la pointe de fissure à surveiller 8,9,10,11,12 (figure 5B ). Vérifiez l’état de la caméra pour vous assurer qu’elle peut enregistrer la rémanence (AG) pendant le temps de mesure estimé des essais mécaniques. REMARQUE: Bien qu’un système de caméra à quatre voies ne soit pas obligatoire pour toutes les directions de l’échantillon, le nombre de caméras dépend de la face de l’échantillon sur laquelle l’utilisateur souhaite se concentrer et enregistrer.</li>
	</ol></li>
	<li>Effectuez une observation ML dans le test DCB.<ol><li>Définissez l’environnement pour assurer des conditions sombres.</li>
		<li>Réglez les conditions d’enregistrement de la caméra : taux d’enregistrement = 1 ou 2 images par seconde (ips) ; temps d’exposition = 0,5 s ou 1 s; et gain = maximum.</li>
		<li>Irradiez l’échantillon DCB pulvérisé de peinture ML avec une lumière bleue de 470 nm pour l’excitation à l’aide d’une LED bleue (voir le tableau des matériaux) de chaque direction de caméra pendant 1 min.</li>
		<li>Démarrez l’enregistrement de la caméra 5 s avant de terminer l’irradiation de la lumière bleue.</li>
		<li>Attendez dans l’obscurité pendant 1 minute pour vous assurer que la rémanence s’installe. REMARQUE: Le temps d’installation peut être modifié en fonction du type de matériau de détection ML et de la caméra, en particulier en ce qui concerne l’équilibre de la mécanooluminescence et des intensités de rémanence dans les films enregistrés.</li>
		<li>Appliquer une charge mécanique16,17,18 à l’aide d’une machine d’essai mécanique avec un taux de charge de 1 mm/min pour obtenir l’image ML (Figure 5C et Film 1).</li>
		<li>Calculer la longueur de la fissure (a) en utilisant les informations sur la position de la pointe de la fissure, qui est déterminée à partir du point ML pendant la propagation de la fissure dans l’éprouvette pulvérisée de peinture ML (film 1), pour obtenir la ténacité à la rupture, G1c (kJ/m2), valeur en utilisant l’équation 1 8,9,16,17,18. NOTE: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64118/64118eq01.jpg" style="margin: auto;"> (Équation 1) où 2 H indique l’épaisseur (mm) de l’éprouvette DCB, B la largeur de l’échantillon, λ la conformité au déplacement d’ouverture de fissure (DCO) (mm/N), Pc indique la charge (N) et α 1 indique la pente de (a/2H) et (B/λ)1/3.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Mesure ML pour l’essai de cisaillement des genoux (LS)
<ol><li>Pour la configuration expérimentale des mesures ML, monter l’échantillon LS pulvérisé à peinture ML sur une machine d’essai mécanique19,20, comme illustré à la figure 6A.</li>
	<li>Placer des caméras (une caméra CCD ou CMOS) devant chaque surface de l’éprouvette de manière à ce qu’elles soient orientées vers la position de l’extrémité de fissure à surveiller (figure 6A). NOTE: Les échantillons d’essai LS doivent être conformes aux normes internationales pour l’essai LS 19,20. Dans le cas de joints de matériaux différents, différentes distributions de déformation apparaîtront sur chacune des quatre surfaces des éprouvettes LS. Ainsi, un système de caméra à quatre voies ou au moins un système de caméra bidirectionnelle est recommandé pour une utilisation sur chacune des quatre surfaces, comme le montre la figure 6A, pour capturer deux surfaces avec chaque caméra à un angle de 45° par rapport à chaque surface.</li>
	<li>Effectuez l’observation ML dans le test de cisaillement (LS).<ol><li>Maintenez des conditions sombres.</li>
		<li>Réglez les conditions d’enregistrement de la caméra: taux d’enregistrement = 10-50 ips; temps d’exposition = 0,02 s ou 0,1 s; gain = maximum.</li>
		<li>Irradiez l’échantillon DCB pulvérisé de peinture ML avec une lumière bleue de 470 nm pour l’excitation à l’aide d’une LED bleue provenant de chaque direction de caméra pendant 1 min.</li>
		<li>Démarrez l’enregistrement de la caméra 5 s avant de terminer l’irradiation de la lumière bleue.</li>
		<li>Attendez dans l’obscurité pendant 30 s pour que la rémanence s’installe. REMARQUE: Le temps d’arrêt peut être modifié en fonction du matériau de détection ML et de la caméra utilisés, en particulier en ce qui concerne l’équilibre de la mécanooluminescence et des intensités de rémanence dans les films enregistrés.</li>
		<li>Appliquer une charge mécanique19,20 à l’aide d’une machine d’essai mécanique avec un taux de charge de 1-5 mm/min pour obtenir les images ML (Figure 6B et Film 2).</li>
	</ol></li>
</ol>4. Informations pour la mesure du ML et l’analyse des données
<ol><li>Effectuez l’excitation avant le test ML.<ol><li>Bien que l’intensité ML soit proportionnelle à l’énergie de déformation, l’intensité ML diminue progressivement en fonction des cycles de charge 2,3,6,12, comme le montre la figure 7A. Par conséquent, effectuez une excitation avant le test ML pour générer des résultats ML reproductibles, comme mentionné aux étapes 2.2.3 et 3.2.3.</li>
	</ol></li>
	<li>Choisissez le temps d’attente pour un ratio ML/AG élevé. REMARQUE: Le capteur ML montre la rémanence (AG) après excitation comme un long phosphore persistant et montre la mécanooluminescence au moment de l’application de la charge, comme le montre la figure 7B.<ol><li>Sélectionnez le temps d’attente après l’excitation et les conditions de la caméra pour vous assurer que le rapport ML/AG (l’indice ML) est suffisamment élevé (comme mentionné aux étapes 2.2.4 et 3.2.4) car la rémanence fonctionne comme un bruit de base contre le motif ML (c’est-à-dire le signal de mesure)2,3,4.</li>
	</ol></li>
	<li>Déterminez le point ML le plus élevé.<ol><li>Déterminez la position de la pointe de fissure en reconnaissant la position avec le point ML le plus élevé comme la pointe de fissure 8,9. REMARQUE : Le point ML le plus élevé peut être déterminé à l’aide d’une inspection visuelle, d’un logiciel de traitement d’image, d’un système de surveillance automatique et d’un film ML, comme illustré dans la figure supplémentaire 1.</li>
	</ol></li>
	<li>Créez une image de contour ML.<ol><li>Si les points et les motifs ML sont difficiles à distinguer, créez une image de contour ML et utilisez des motifs ML en convertissant les images brutes ML à l’aide d’un logiciel de traitement d’image, tel que ImageJ (voir le tableau des matériaux), comme illustré à la figure 8.</li>
	</ol></li>
</ol>

<ol>
	<li>Xu, C. -. N., Watanabe, T., Akiyama, M., Zheng, X. -. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+view+of+stress+distribution+in+solid+by+mechanoluminescence.">Direct view of stress distribution in solid by mechanoluminescence.</a> Applied Physics Letters. 74 (17), 2414-2417 (1999).</li><li>Xu, C. -. 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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

En ce qui concerne le comportement ML observé de côté, une mécanooluminescence intense provenant de la concentration de la déformation a été enregistrée à l’extrémité de la fissure initiale (figure 5C). Par la suite, un mouvement du point ML a été observé le long de la couche adhésive au moment de propagation de la fissure, reflétant la pointe de la fissure. Dans des études antérieures, des observations microscopiques ont montré que le point ML le plus élevé n’était que de 0 à 20 μm en avant de la pointe de la fissure et pouvait être adopté comme référence pour la position8 de la pointe de fissure. Dans la méthode conventionnelle, la pointe de fissure est identifiée par inspection visuelle, mais cela conduit à une quantité importante d’erreur humaine en raison de la petite taille de la pointe de fissure, même lors de l’utilisation d’une loupe. Plus précisément, il faut faire preuve de patience pour marquer la position de la pointe de fissure lors de l’essai DCB, qui nécessite à son tour plusieurs minutes, en particulier pour les joints adhésifs structuraux16,17,18. Par conséquent, la visualisation ML dans le test DCB est importante pour identifier la position de la pointe de fissure automatiquement et avec une plus grande précision. Auparavant, la position et la forme de la ligne ML sur la vue supérieure se synchronisaient avec la ligne frontale de rupture de fissure dans la couche adhésive9. Par conséquent, la détection ML dans la vue supérieure de l’adhérent a été utilisée comme indicateur des fissures internes de la surface extérieure de l’adhérence.
Cependant, les limites de cette méthode comprennent l’environnement d’essai sombre et la diminution de l’intensité ML et AG pendant l’essai DCB sur plusieurs minutes, comme le montre la figure 7B. Cela conduit à un point ML et à un motif AG peu clairs, qui reflètent respectivement la pointe de fissure et la géométrie de l’échantillon. Pour surmonter cette limitation, la lumière infrarouge, telle que la lumière à une longueur d’onde de 850 nm qui n’influence pas le matériau SrAl2O4:Eu 2+ ML, a été utilisée pour irradier l’échantillon DCB pendant l’essai DCB afin de clarifier l’état de l’échantillon9. Alternativement, la lumière bleue à 470 nm est utilisée pour éclairer l’échantillon pendant 1 s toutes les 5 minutes ou 10 minutes afin de récupérer les intensités ML et AG même pendant l’essai DCB2,9, comme expliqué à la figure 7A.
Les images de contour ML et les films pendant l’essai LS ont été enregistrés à l’aide d’un système de caméra à quatre voies (figure 6C). Dans ce cas, les adhérents étaient en aluminium sablé (A5052) et l’adhésif était un adhésif époxy à deux composants. La valeur de la résistance au cisaillement en traction (TSS) était de 23 MPa, calculée en utilisant la valeur de charge (N) à la rupture sous charge de traction et la surface adhésive (mm2). En outre, la valeur TSS peut être considérée comme un indicateur de la résistance d’un joint adhésif structurel18. Bien que la valeur TSS soit généralement utilisée comme indice de résistance adhésive, les propriétés physiques de fond, telles que le comportement mécanique, qui sont cruciales pour améliorer la conception du joint, n’ont pas été étudiées.
Les images ML ont clairement fourni des informations sur le comportement mécanique pendant le processus de destruction du joint adhésif monobloc (Figure 6C). En bref, une mécanooluminescence intense a d’abord été observée au bord de la zone adhésive et rodée, ce qui montre la concentration de déformation au stade précoce de l’essai LS. Deuxièmement, les points ML se sont déplacés des deux bords adhésifs vers le centre le long de la couche adhésive pour apparaître ensemble dans les vues gauche et droite des images ML. Cela indique la propagation de la déformation par cisaillement et de la fissure le long de la couche adhésive, ce qui indique une défaillance cohésive (FC) dans ce cas.
De plus, les lignes ML dans les vues avant et arrière indiquaient la propagation des fissures, ce qui est le même phénomène que dans l’essai DCB. Enfin, après la combinaison des deux points ML au centre, une mécanooluminescence intense a été observée au point central de la couche adhésive. Cela indiquait la concentration de déformation dans la couche adhésive et la génération ultérieure d’une fissure transversale à travers la couche adhésive, similaire à celle d’un travail précédent11. Cette information est utile pour déterminer l’emplacement de la concentration de contrainte/déformation. Par conséquent, cela implique qu’une amélioration de la dispersion des contraintes est nécessaire pour obtenir une conception de joint solide et fiable.
Contrairement au test DCB, le test LS provoque la rupture à grande vitesse des joints adhésifs. Le test LS génère un taux de déformation élevé dans la couche adhésive, qui est suivi d’une mécanooluminescence très intense qui sature dans l’image ML enregistrée, accumule de nombreux événements dans une image et produit une image ML peu claire. Dans ces cas, un choix judicieux de taux d’enregistrement peut être utilisé pour le dépannage (par exemple, la sélection d’un taux d’enregistrement élevé, tel que 25 ips, qui correspond à la vitesse de l’événement dans le test LS)11.

Les matériaux de détection mécanooluminescents (ML) sont des poudres céramiques fonctionnelles qui émettent une lumière intense à plusieurs reprises sous des stimuli mécaniques. Ce phénomène est observé même au sein des régions de déformation élastique 1,2,3,4. Lorsqu’elles sont dispersées sur la surface d’une structure, les particules ML individuelles fonctionnent comme des capteurs mécaniques sensibles, et le motif ML bidimensionnel (2D) reflète la distribution dynamique de la déformation. Le diagramme d’émission de ML présente une simulation mécanique de la distribution de la déformation 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 (Figure 1A).
Comme le montre la figure 1B, des capteurs ML ont été appliqués pour visualiser les comportements mécaniques dynamiques bidimensionnels (2D) et tridimensionnels (3D) dans les processus élastiques, plastiques et de destruction à l’aide d’éprouvettes de test de coupon comprenant des matériaux structurels légers avancés récents (par exemple, acier à haute résistance à la traction 5,6, aluminium, plastique renforcé de fibres de carbone [CFRP]7), le joint adhésif pour la conception de tolérance aux dommages8, 9,10,11 et les composants du produit (p. ex., fichier d’engrenages et d’électronique souple pour téléphones pliables 12, et joints adhésifs et/ou de soudage compliqués utilisés pour valider les résultats de l’ingénierie assistée par ordinateur [IAO]ne dans les essais en laboratoire 2,8,9,10,11 ). En outre, les capteurs ML ont été utilisés avec succès dans des applications pratiques, telles que la surveillance de la santé structurelle (SHM) des bâtiments et des ponts pour détecter la propagation des fissures ou la probabilité d’une concentration de déformation conduisant à la dégradation structurelle 2,6,13, la surveillance de la propagation interne des fissures dans les couches interlaminaires7,9, la prédiction de la durée de vie des récipients à hydrogène à haute pression 9, des tests d’impact de mobilité pour visualiser la propagation ou l’excitation des ondes d’impact en mode vibration14, et la détection visuelle des outils sportifs pour déterminer les paramètres physiques appropriés pour augmenter les chances de gagner. Dans le protocole, la visualisation ML a été sélectionnée pour surveiller la propagation des fissures et les changements ultérieurs de comportement mécanique lors des tests d’évaluation des joints adhésifs.
Il y a plusieurs raisons de choisir ce thème. La première raison est l’augmentation significative de l’importance des joints adhésifs au cours des dernières années. Récemment, en raison de la nécessité d’une réduction significative duCO2 et d’économies d’énergie, divers types de matériaux légers ont été développés et appliqués dans les industries de la mobilité et du transport, telles que les automobiles, les avions et les trains. Dans le cadre de cette tendance, la technologie adhésive a gagné en importance en tant que technologie clé pour assembler librement différents matériaux légers (joints de matériaux différents) dans une stratégie multi-matériaux15. En outre, la méthode de visualisation ML pour déterminer la force adhésive, en particulier dans des matériaux différents, a été suggérée par diverses normes internationales 16,17,18,19,20. L’évaluation de la résistance adhésive est essentiellement un essai destructif, et la résistance adhésive obtenue peut être principalement classée en deux types: (1) l’énergie de ténacité à la rupture (Gc), qui est déterminée en utilisant la position de propagation de la fissure pendant l’application de la charge, et (2) la force adhésive, qui est déterminée à l’aide de la charge à la rupture du joint adhésif. Bien que l’essai à double faisceau en porte-à-faux (DCB) et l’essai à simple cisaillement sur tour (LS) soient des méthodes d’évaluation représentatives de la ténacité à la rupture et de la résistance à l’adhérence, respectivement, et représentent les méthodes d’essai adhésives les plus fréquemment utilisées dans le monde 15,16,17,18,19,20 , la pointe de la fissure est trop petite pour distinguer la répartition contrainte/déformation. Par conséquent, la valeur de l’énergie de ténacité à la rupture (Gc) est fortement dispersée. À la suite des recommandations de chercheurs examinant des adhésifs et d’autres personnes de l’industrie, la visualisation mécanooluminescente (ML) a été étudiée pour surveiller la propagation des fissures et les changements ultérieurs dans le comportement mécanique pendant les essais d’évaluation des joints adhésifs 8,9,10,11,21 . La deuxième raison de choisir ce thème dans ce protocole est que la contrainte/déformation est fortement concentrée à l’extrémité de la fissure, ce qui génère une mécanooluminescence intense au point ML pendant la propagation de la fissure, et c’est potentiellement la méthodologie la plus conviviale parmi les diverses applications de test ML. De plus, cette méthode peut être utilisée sans expérience avancée dans la préparation d’échantillons et de matériaux ML très efficaces.
Par conséquent, dans cette étude, le protocole de visualisation ML est expliqué pour surveiller la propagation des fissures et les changements ultérieurs dans le comportement mécanique pendant les essais d’évaluation des joints adhésifs, comme le montre la figure 2.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Aluminum plate</td>
			<td>Engineering Test Service Co.,Ltd.</td>
			<td>A5052&#160;</td>
			<td>A5052 is defined name as quality of aluminum in standards.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blue LED</td>
			<td>MORITEX Co.</td>
			<td>MBRL-CB13015</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera</td>
			<td>Baumer</td>
			<td>TXG04 or VLU-12</td>
			<td>CCD or CMOS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coating thickness gauge&#160;</td>
			<td>KETT</td>
			<td>LZ-373</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epoxy adhesive</td>
			<td>Nagase ChemteX Co.</td>
			<td>Denatite2202</td>
			<td>structual adehsive</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ImageJ</td>
			<td>National Institutes of Health</td>
			<td>Image J 1.53K</td>
			<td>Image processing software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mechanical testing machine&#160;</td>
			<td>SHIMADZU Co.</td>
			<td>EZ Test EZ-LX</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mechanoluminescnet (ML) paint</td>
			<td>Sakai Chemical Industry Co. Ltd.</td>
			<td>ML-F2ET3</td>
			<td>The ML paint in 1.1&#160; is 2 components epoxy paint , and consisting of epoxy main reagent and curing reagent as described in 1.2.1.&#160; SrAl2O4:Eu2+ ML ceramic perticle is including in main epoxy reagent.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope</td>
			<td>keyence</td>
			<td>VHX-6000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless steel&#160; plate</td>
			<td>Engineering Test Service Co.,Ltd.</td>
			<td>SUS631</td>
			<td>A631 is defined name as quality of stainless steel in standards.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Viscometer</td>
			<td>Sekonic. Co.</td>
			<td>Viscomate VM-10A</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

mechanoluminescent visualization of crack propagation for joint evaluation

Dans cette étude, des méthodes de visualisation mécanooluminescente (ML) de la propagation des fissures et du comportement mécanique pour évaluer les joints adhésifs sont démontrées et expliquées. La première étape consistait à préparer l’échantillon; un spray d’air a été utilisé pour appliquer de la peinture ML sur la surface des échantillons de joints adhésifs. La performance du capteur ML a été décrite pour examiner les conditions de mesure. Les résultats de la détection ML lors d’un essai à double faisceau en porte-à-faux (DCB) et d’un essai de cisaillement sur les genoux (LS) sont démontrés car ce sont les méthodes les plus fréquemment et les plus largement utilisées pour évaluer les adhésifs. À l’origine, il était difficile de quantifier directement la pointe de la fissure ainsi que la répartition et la concentration des déformations/contraintes parce que la pointe de la fissure était trop petite et que les effets de la déformation ne pouvaient pas être observés. La mécanooluminescence, la propagation des fissures et le comportement mécanique pendant les essais mécaniques peuvent être visualisés via le motif ML lors de l’évaluation de l’adhésif. Cela permet de reconnaître la position précise des pointes de fissure et d’autres comportements mécaniques liés à la défaillance structurelle.

Les images et les films ML pendant les tests DCB et LS ont été collectés à l’aide de caméras bidirectionnelles et quadridirectionnelles, respectivement.
La figure 5C montre les images et les films ML dans la vue latérale, qui peut être utilisée pour reconnaître la pointe de la fissure. En outre, la vue de dessus est montrée pour refléter le front de défaillance au moment de propagation de la fissure pendant l’essai DCB. Dans ce cas, les adhérents étaient en aluminium sablé (A5052, voir le tableau des matériaux), l’adhésif était composé de deux composants d’adhésif époxy et la géométrie était conforme aux normes internationales. En ce qui concerne les comportements ML en vue latérale, une mécanooluminescence intense a été observée à la position de la fissure initiale en raison de la concentration de déformation à ce point. Par la suite, un mouvement du point ML, qui reflète la pointe de la fissure, a été observé sur la couche adhésive au moment de propagation de la fissure. À l’aide d’images ML dans l’essai DCB, la position de la pointe de la fissure pendant la propagation de la fissure a été définie et utilisée pour calculer la longueur de propagation de la fissure (a) et la valeur de ténacité à la rupture associée, G1c, comme expliqué à l’étape 2.2.7.
La figure 6B montre les images et les films de contour ML pendant le test LS. Les images et les films ont été enregistrés à l’aide d’un système de caméra à quatre voies. Dans ce cas, les adhérents étaient en aluminium sablé (A5052) et l’adhésif était un adhésif époxy à deux composants. La figure 6B fournit clairement des informations sur le comportement mécanique pendant le processus de destruction du joint adhésif monocouche. En bref, une mécanooluminescence intense a d’abord été observée sur les bords des zones collées et rodées. Deuxièmement, les points ML se sont déplacés des bords adhésifs vers le centre le long de la couche adhésive pour apparaître ensemble dans les vues gauche et droite de l’image ML. Enfin, après avoir combiné les deux points ML au centre, une mécanooluminescence intense a été observée au point central de la couche adhésive. Les images ML du test LS peuvent être utilisées pour comprendre le comportement mécanique des joints adhésifs pendant le processus de destruction, ce qui est difficile à simuler.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64118/64118fig01.jpg"> Figure 1 : Propriétés du capteur ML. (A) Mécanooluminescence sous charge de traction pour une plaque d’acier inoxydable avec trou et analyse numérique (simulation) de la distribution de déformation Mises. (B) Exemples de détection visuelle ML pour visualiser le comportement mécanique dynamique 2D / 3D des produits, des matériaux structurels et des matériaux d’impression 3D sous l’application de la charge mécanique, des vibrations et des impacts. Les flèches avec un « F » indiquent la direction de la force sous charge mécanique. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64118/64118fig01large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64118/64118fig02.jpg"> Figure 2 : Détection visuelle ML pour divers tests d’évaluation des adhésifs normalisés à l’échelle internationale. Ces normes décrivent les méthodes permettant d’obtenir divers indices de résistance adhésive, tels que l’énergie de ténacité à la rupture (Gc), la résistance au cisaillement à la traction (TSS), la résistance au pelage et la résistance à la tension croisée (CTS). Les flèches indiquent la direction de la force sous charge mécanique. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64118/64118fig02large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64118/64118fig03.jpg"> Figure 3 : Application de la peinture du capteur ML. (A) Exemples de peinture ML et de bombes aérosols et (B) une photographie de pulvérisation. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64118/64118fig03large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64118/64118fig04.jpg"> Figure 4 : Illustration d’échantillons pulvérisés à la peinture ML. (A) Un échantillon DCB et (B) un échantillon LS. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64118/64118fig04large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64118/64118fig05.jpg"> Figure 5: Mesure ML pendant l’essai DCB. (A) Photographie de la configuration expérimentale et (B) illustration de la position de la caméra. (C) Mesure ML pendant l’essai DCB. CAM 1 et CAM 2 désignent la caméra CCD décrite à l’étape 2.1.2. Les flèches indiquent la direction de la force sous charge mécanique. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64118/64118fig05large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64118/64118fig06.jpg"> Figure 6: Mesure ML pendant l’essai LS. (A) La configuration expérimentale et (B) la mesure ML pendant l’essai LS à l’aide d’un système de caméra à quatre voies. Les flèches indiquent la direction de la force sous charge mécanique. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64118/64118fig06large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64118/64118fig07.jpg"> Figure 7 : Propriétés de base du capteur ML utilisé. (A) L’intensité ML à travers les cycles de charge et (B) la relation entre les intensités ML et AG et le temps d’attente après excitation à l’aide d’une LED bleue. L’encart illustre la définition des intensités ML et AG dans la courbe temps-luminance. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64118/64118fig07large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64118/64118fig08.jpg"> Figure 8 : Comparaison de l’expression ML dans les images ML. (A) L’image brute en niveaux de gris 12 bits et (B) l’image de contour. Les flèches avec « F » indiquent la direction de la force sous charge mécanique. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64118/64118fig08large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
Film 1 : film ML pendant le test DCB. Taux d’enregistrement: 1 fps. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64118/Fig.%20S1%20ML%20movie%20during%20DCB%20test.mp4" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour télécharger ce film.</a>
Film 2 : film ML pendant le test LS. Taux d’enregistrement: 25 fps. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64118/Fig.%20S2%20ML%20movie%20during%20LS%20test.mp4" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour télécharger ce film.</a>
Figure supplémentaire 1 : Méthodes permettant de distinguer la position du point d’intensité de ML la plus élevée. (A) inspection visuelle, (B) logiciel de traitement d’image, et (C) système de surveillance automatique. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64118/Supplementary%20Figure%201.tif" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.</a>

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Mechanoluminescent Visualization of Crack Propagation for Joint Evaluation

Dans cette étude, un protocole est présenté qui décrit l’utilisation de la visualisation mécanooluminescente (ML) pour surveiller la propagation des fissures et le comportement mécanique pendant les tests d’évaluation des joints adhésifs.

Visualisation mécanooluminescente de la propagation des fissures pour une évaluation conjointe

In this study, methods for the mechanoluminescent (ML) visualization of crack propagation and mechanical behavior to evaluate adhesive joints are ...

Pour utiliser les erreurs de résultat de détection mécanooluminescentes, ce protocole montre que la préparation du capteur mécanooluminescent, les types d’environnement de mesure et les conditions d’enregistrement qui doivent être adoptées pour les répétabilités. L’avantage de cette méthode est la visualisation directe de la pointe et de la résistance de la fissure, de la distribution des contraintes et de la concentration dans des stimuli mécaniques qui sont à l’origine difficiles à quantifier directement. Ce protocole se concentre sur la visualisation des informations mécaniques pendant le test d’évaluation de l’adhésif.Il peut également être utilisé pour la surveillance de la santé structurelle, la conception et la stimulation mécanique de la structure, des matériaux structurels et des articulations. La démonstration de la procédure de pulvérisation de peinture ML sera Yumi Nogami. Et pour le test DCB et Lap-Cisaillement, il y aura Wakana Sugawa, Chieko Hirakawa, Maiko Iseki et Yoko Sakamoto, des trucs techniques de mon laboratoire.Pour commencer, préparez l’échantillon d’essai en appliquant la peinture mécanooluminescente sur la surface prétraitée de la poutre double porte-à-faux, ou DCB, à l’aide d’un spray à air ou d’une bombe aérosol. Ensuite, faites la configuration expérimentale pour la mesure mécanooluminescente en montant l’échantillon de peinture mécanooluminescente pulvérisée sur la machine d’essai mécanique à l’aide d’un zig spécial. Placez les caméras devant chaque surface d’éprouvette face à la position de la pointe de fissure à surveiller.Vérifiez ensuite l’état de la caméra pour vous assurer qu’elle peut enregistrer la rémanence pendant le temps de mesure estimé des essais mécaniques. Pour effectuer une observation mécanooluminescente dans le test DCB, réglez la fréquence d’enregistrement de la caméra sur une ou deux images par seconde, le temps d’exposition sur 0,5 ou une seconde et le gain au maximum. Ensuite, irradiez l’échantillon DCB pulvérisé de peinture mécanooluminescente avec une lumière bleue de 470 nanomètres pour l’excitation à l’aide d’une LED bleue de chaque direction de caméra pendant une minute.Démarrez l’enregistrement de la caméra cinq secondes avant de terminer l’irradiation de la lumière bleue. Laissez le spécimen rester dans l’obscurité pendant une minute pour vous assurer que la rémanence se calme. Appliquez ensuite une charge mécanique à l’aide d’une machine d’essai mécanique avec une vitesse de charge d’un millimètre par minute pour obtenir l’image mécanooluminescente.Calculer la longueur de la fissure en utilisant les informations sur la position de la pointe de la fissure qui est déterminée à partir du point mécanooluminescent pendant la propagation de la fissure dans l’échantillon de peinture mécanoluminescente pulvérisé pour obtenir la ténacité à la rupture G1C exprimée en kilojoules par mètre carré à l’aide de l’équation. Pour effectuer l’observation mécanooluminescente dans le test Lap-Cisaillement, réglez la fréquence d’enregistrement de la caméra sur 10 à 50 images par seconde, le temps d’exposition sur 0,02 ou 0,1 seconde et le gain au maximum. Ensuite, irradiez l’échantillon DCB pulvérisé de peinture mécanooluminescente avec une lumière bleue de 470 nanomètres, démarrez l’enregistrement de la caméra et attendez dans l’obscurité comme démontré précédemment.Appliquer une charge mécanique avec une vitesse de charge de un à cinq millimètres par minute pour obtenir l’image mécanooluminescente. Le comportement mécanooluminescent enregistré au cours de l’essai DCB a montré une mécanooluminescence intense à la position de la fissure initiale en raison de la concentration de la déformation. Le comportement mécanooluminescent enregistré pendant l’essai Lap-Cisaillement a montré une mécanooluminescence intense d’abord sur les bords du collage collé dans les zones rodées, puis les points mécanooluminescents se sont déplacés des bords adhésifs vers le centre avec une mécanooluminescence intense observée au point central.La chose la plus importante à retenir devrait être l’équilibre des performances du film capteur mécanooluminescent. Temps d’attente jusqu’à l’érosion mécanique et les conditions d’enregistrement. Les joints et les matériaux composites dans les structures légères sont connus comme des pièces difficiles à simuler le comportement mécanique.La méthode de détection visuelle mécanooluminescente fournit une réponse réelle et juste pour lire la conception et la prédiction appropriées.

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