
Бехбуд Абеди и Эндрю Дженис (TA Instruments)
Перевод и подготовка: ЛЕМ Украина
Рассмотрим некоторые веселые и, возможно, неожиданные занятия вокруг нас, которые связаны с реологией!
При праздновании Нового Года по лунному календарю люди запускают небесные фонарики, чем символически отпускают прошлогодние проблемы и приветствуют новые начинания. Традиция небесных фонариков насчитывает тысячи лет – от буддистских монахов, которые жили во втором столетии, до современных фестивалей в Китае, Южной Корее, Японии и Тайване. На протяжении лет фонарики сами по себе эволюционировали от традиционных, изготовленных из бамбука и рисовой бумаги, до современных изделий, содержащих синтетические материалы. Нередко современные материалы считаются более крепкими, но, поскольку традиционные фонарики все еще используются, мы захотели проверить эти предположения посредством измерения характеристик материалов и посмотреть, действительно ли современные фонарики лучше традиционных.
Мы заказали традиционные экологически чистые материалы для фонариков и серийный современный фонарик, а потом задействовали реологический и термический анализ, чтобы быстро изучить оба вида небесных фонариков.
Реологический и термический анализ: Динамический дуэт
Когда реология, наука о текучести и деформации, объединяется с термическим анализом, например, с термогравиметрическим анализом, они образую совершенный дуэт для решения задач. Вместе они способны:
- диагностировать поведение материалов, т.е. показать, как именно материалы ведут себя в разных условиях;
- оптимизировать технологические процессы, а именно улучшить процессы производства за счет прогнозирования поведения материалов;
- обеспечить качество, гарантируя, что материалы будут способны выдержать реальные условия целевого применения.
По сути, они объединяют свои суперспособности, чтобы мы могли быть уверены, что материалы справятся со своей задачей, невзирая на любые трудности!
ДМА: Фитнес-тест для материалов
Динамический механический анализ (ДМА), являющийся своего рода фитнес-тестом для материалов, измеряет, как именно они растягиваются, изгибаются и возвращаются в начальное состояние под действием различных температур и сил. Здесь речь идет о гибкости и прочности материала. При проведении ДМА к материалу прикладывается волнообразная (синусоидальная) нагрузка и проводится наблюдение за тем, как сильно он деформируется. Это позволяет определить модуль накопления и наблюдать упругое поведение материала. Более высокий модуль соответствует более жесткому материалу, тогда как упругость показывает, насколько хорошо материал может возвращаться к своей начальной форме.
ТГА: Самый лучший весонаблюдатель для материалов
Термогравиметрический анализ (ТГА) отслеживает изменение веса со временем, обычно как функцию температуры. Этот инструмент может сообщить много важных характеристик материала, таких как термостойкость, влагосодержание и относительная стабильность в разных атмосферных условиях. ТГА определяет температуру разложения материалов посредством непрерывной регистрации веса образца по мере его нагревания. Любые потери веса свидетельствуют о высвобождении летучих компонентов или разложении материала. На основе полученных данных сроится ТГА-кривая, которая показывает потери веса как функцию температуры. Точку, в которой происходит значительная потеря веса, можно идентифицировать как температуру разложения.
Сравнение рисовой и синтетической бумаги
Ми выполнили ТГА-испытания традиционной рисовой и современной синтетической бумаг с помощью Discovery™ TGA 5500. Испытания проводились в атмосфере воздуха при скорости 50 °C/мин. для того, чтобы имитировать реальную ситуацию, когда зажженная свечка быстро нагревает окружающий воздух, а затем бумагу. Отмечено, что у рисовой бумаги температура начала процесса разложения примерно на 100 °C выше, чем у синтетической (см. Рисунок 1), что является преимуществом традиционного фонарика! Это означает лучшую термостойкость, а также то, что наш небесный фонарик желаний может взлететь выше.
Рисунок 1. Результаты ТГА касательно начала деградации рисовой и синтетической бумаг
С помощью Discovery™ DMA 850 мы провели циклические испытания с разверткой по частоте при растяжении. Для того, чтобы убедиться, что материал находился в области линейной вязкоупругости (англ. Linear Viscoelastic Region, LVR), проводились испытания с разверткой по деформации. Это позволяет определить критическую деформацию, при превышении которой отклик материала становится нелинейным. В пределах LVR структура материала остается неповрежденной, а измерения отображают истинные вязкоупругие свойства и не приводят к возникновению какой-либо остаточной деформации. К материалу прикладывалась синусоидальная нагрузка с постоянной амплитудой, а ее частота постепенно изменялась от низких до высоких значений. Был рассчитан модуль накопления (G’). Отмечено, что по сравнению с синтетической бумагой рисовая бумага демонстрирует более высокую жесткость, т.е. при приложенном извне напряжении (растяжения) этот материал является более стойким к деформации (см. Рисунок 2). Это означает, что традиционные фонарики с большей вероятностью будут оставаться неповрежденными под действием напряжения.
Рисунок 2. Испытания с разверткой по частоте рисовой и синтетической бумаг – режим растяжения
Можно сказать, что диаграмма деформирования – это сюжетная линия материала, которая рассказывает его историю при напряжении. Поэтому мы построили такие кривые для обоих видов бумаги (Рисунок 3). У типичной диаграммы на начальной стадии напряжение пропорционально деформации. Материал ведет себя упруго, как резиновая лента. После этого он достигает своего предела упругости, а затем предела текучести, который определяет максимальное значение напряжения, которого можно достичь прежде, чем деформация станет постоянной, а возвращение к начальной форме станет невозможным. Далее идет предел прочности: материал достигает своей максимальной прочности. Наконец, в точке разрушения, материал разламывается. Это конец сюжетной линии.
Рисунок 3. Диаграммы деформирования рисовой и синтетической бумаг при комнатной температуре
При комнатной температуре предел текучести для рисовой бумаги немного выше, чем для синтетической. Этот результат показывает, что рисовая бумага может выдержать более высокое напряжение, прежде чем начнется ее пластическая деформация. После перехода через предел текучести величина напряжения уменьшается для обоих видов бумаги, но, что интересно, даже при деформации в 8 % отсутствуют четкие признаки достижения точки разрушения или разрыва. Волокна в этих видах бумаги удерживают ее части вместе, выдерживая значительные деформации и существенно растягиваясь.
После этого мы захотели посмотреть, как пламя свечки будет влиять на разные виды бумаги на протяжении полета фонарика. Температура пламени может достигать 1000 °C. В пределах (10 … 25) см от пламени, где тепло будет влиять на рисовую бумагу и бамбуковый каркас, температура при поджигании свечки может быть в диапазоне (50 … 100) °C. Через несколько минут она может возрасти до (200 … 250) °C. Это критическое время, необходимое для того, чтобы фонарик поднялся как можно выше, а эти значения температуры немного ниже температуры разложения. Поэтому мы повторно измерили диаграмму деформирования при постоянной температуре 200 °C для того, чтобы отследить поведение бумаги в условиях, когда фонарики светятся, нагреваются и поднимаются выше.
Рисунок 4, аналогично Рисунку 3, демонстрирует, что рисовая бумага имеет немного более высокий предел текучести. Еще более интересным является то, что даже при 200 °C натуральные волокна рисовой бумаги предотвращают ее полное разделение на части, а очевидная точка разрыва отсутствует. Однако для синтетической бумаги, в отличие от случая комнатной температуры, при 200 °C есть четко выраженная точка разрыва при деформации меньше 0,5 %. Эти фонарики могут никогда не подвергаться влиянию деформаций такой величины при нормальных условиях, но полученные результаты убеждают, что если серийный фонарик может работать при 200 °C, то традиционный фонарик будет работать еще лучше, без риска завершения его путешествия.
Рисунок 4. Диаграммы деформирования рисовой и синтетической бумаг при 200 °C
Каркасы фонариков
Хотя бумага и является ключевой составляющей небесного фонарика, но нельзя забывать о каркасе, который удерживает все вместе! Ми приобрели бамбук для каркасов, при этом выбрав вариант, более тонкий по сравнению с современным каркасом, для того чтобы фонарик был легче. К тому же, мы не уверены, что точно знаем, какой именно материал используется в более толстом современном каркасе. Но, будет ли этот более тонкий бамбук демонстрировать такие же хорошие механические свойства как современный каркас? Ми снова использовали наш верный Discovery™ DMA 850 для проведения некоторых испытаний. Були проведены циклические испытания на изгиб для того, чтобы измерить и сравнить модули накопления для тонкого бамбукового каркаса и современного каркаса.
Сначала было проведено схожее с описанным выше быстрое ТГА-испытание для определения температуры разложения. Оба каркаса продемонстрировали близкие значения, большие 250 °C, что успокаивает, т.к. они выдерживают тепло от пламени (см. Рисунок 5).
Рисунок 5. Результаты ТГА касательно начала деградации более тонкой бамбуковой полоски и более толстого каркаса
Как видно из Рисунка 6, оба образца каркасов, несмотря на их разную толщину, имеют очень близкие модули изгиба (модули упругости при изгибе), что свидетельствует о близкой жесткости при изгибании.
Рисунок 6. Испытания с разверткой по частоте двух видов каркасов – режим изгиба
Для проверки того, что более тонкий каркас будет работать так же хорошо, как и более толстый каркас современного фонарика, для них обоих были проведены испытания на ползучесть-восстановление.
Испытание на ползучесть-восстановление похоже на задачу определения предела выносливости материала. Это делается следующим образом. К материалу прикладывается постоянная нагрузка или напряжение. Со временем материал деформируется, и эта деформация записывается в виде кривой ползучести. Затем напряжение снимается и регистрируется кривая восстановления, которая описывает способность материала возвращаться к своей начальной форме.
Такое испытание является полезным с точки зрения прогнозирования поведения материалов при долговременных нагрузках в реальных применениях. Как и ожидалось, более тонкий бамбук показал более сильную деформацию при испытаниях на ползучесть. Однако кривая восстановления удивила, поскольку бамбук восстанавливался почти так же хорошо, как и более толстый каркас. Это означает, что традиционный фонарик выдержит путешествие в небо, даже имея более тонкий бамбуковый каркас (см. Рисунок 7).
Рисунок 7. Испытания на ползучесть-восстановление для обоих видов каркасов при напряжении ниже предела текучести
Путешествие надежды и единства
Для создания небесного фонарика необходимо изготовить бумагу, каркас, присоединить источник тепла, а также гарантировать безопасность его запуска. Ми определили, что традиционные материалы фонариков безусловно подходят для этой задачи! Даже после тысяч лет инноваций в материаловедении традиционные фонарики, изготовленные из рисовой бумаги и тонкого бамбука, могут летать так же долго и высоко, как и современные. Со времен появления в древнем Китае и до применения в современных празднествах, небесные фонарики пленяют сердца и вдохновляют на размышления. Плывя в небе, они напоминают нам о силе совместного опыта человечества и общем стремлении к миру, процветанию и новым начинаниям, что делает их любимой традицией во время празднования Лунного Нового года и после этого. А Вы когда-нибудь участвовали в фестивале небесных фонариков или запускали их самостоятельно?