EKSAMENSOPPGAVE
Emne:
1RM34513 Avanserte materialer (Høst 2014)
Lærer/telefon:
professor Litian Wang / 472 88 765 (kl. 0900-1000) professor Anna-Lena Kjøniksen / 919 91 942 (kl. 0900-1000) professor Alf Egil Jensen / 971 58 961 (kl. 0900-1000)
Grupper: Dato: Tid:
12MAS, 12DESIGN 05.12.2014 0900-1300
Antall oppgavesider:
7 + forside
e
> Sensurfrist:l jctru.k..etr- 0(
5
Hjelpemidler:
Kalkulator, skrivesaker.
All trykne og skrevne
Eksamen består av tre like deler, og alle oppgaver veies likt:
Del 1: Metalliske materialer og materialvalg (ansvarlig professor Litian Wang) Del 2: Plast og nanomaterialer (ansvarlig professor Anna-Lena Kjøniksen) Del 3: Kompositt materialer (ansvarlig professor Alf Egil Jensen)
Alle besvarelser må begrunnes
Kandidaten må selv kontrollere at oppgavesettet er fullstendig
Del 1 Metalliske materialer og materialvalg (1/3)
Oppgave 1: Aluminium legeringer
Silumin er en legering med sammensetningen 86-89 % aluminium og 11-14 %. Med hensyn til struktur og styrkeegenskaper tilsettes for eksempel ca. 0,7 % kobber. Legeringen kan oppnå en strekkfaststyrke på 17-20 kg/mm2med en forlengelse på 6-8 %. Den er også relativt korrosjonsbestandig og lett.
Figuren nedenfor viser fasediagrammet til to aluminium - silisium (AC-40000 serie) legeringer.
Liquid
cz-Al + Si
1414 0C
L + Si
(Si) 1500
1300
659.7
c) 700
500 12.6
300
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Al (at Si
(Figur til Oppgave 1)
(30%) Kan du si noe om generell karakteristikk til fasediagrammet?
(40%) Hvorfor kan legeringen ha høy støpbarhet?
(30%) Hvordan kan 0,7 % kobber øke legeringen strekkfasthet?
Oppgave 2: Tema: Design, Materialvalg og «Material Index»
En 2-to meter lang stav skal monteres på en vegg og en reklame skilt skal henges på andre enden. (Se figuren nedenfor). La oss anta at maksimal belastning er 5,0 kg, og det kreves at nedbøyning på enden skal ikke være større enn 10,0 cm.
2,0 m
---
5,0 cm
(Figur til Oppgave 2) (10%) Hva er kravet på stavens stivhet?
(60%) Hva er forhold mellom materiales E-modul og stavens tykkelsen (diameter)? (Vis utregning)
(20%) Det ønskes at staven skal være stiv nok og samtidig letteste mulig. Vis at «Material Indeks» for materialvalg til slik stiv og lett stav skal være M, =
(10%) Hva er «Material Indeks» for materialvalg dersom man vil ha det både stiv, lette og billig?
slutt av Del 1
•
Del 2 Plast og Nano materialer (1/3) Oppgave3
(25 %) Når man stryker klær, varmer man stoffet opp til en temperatur som er høyere enn glasstransisjonstemperaturen. Dette gjør det mulig å fjerne rynker, og når stoffet kjøles ned igjen beholder det den glatte formen. I lys av dette, hvorfor er det en fordel at klærne er fuktige når man stryker dem?
When ironing clothes, the fabric is heated up to a temperature above the glass transition temperature. This enables us to remove wrinkles, and when the fabric cools down it keeps the smoother shape. Taking this into consideration, why is it advantageous that the clothes are rnoist when they are ironed?
(25 %) Zetapotensial er relatert til overflateladningen til partikler (høy absoluttverdi av zetapotensialet tilsvarer høy overflateladning). Du har to suspensjoner av positivt ladede nanopartikler i vann. Størrelsen til nanopartiklene er like store. Den ene suspensjonen har et zetapotensiale på 50 mV og den andre suspensjonen har et zetapotensiale på 10 mV. Hvilken av disse suspensjonene er sannsynligvis mest stabil over tid, og hvorfor?
Zeta potential is re1ated to the surface charge of particles (high absolute value of the zeta potential corresponds to high surface charge). You have two suspensions of positively charged nanoparticles in water. The sizes of the nanoparticles are the same. One of the suspensions has a zeta potential of 50 mV, and the other suspension has a zeta potential of 10 mV. Which of these suspensions is probably most stable over time, and why?
(25 %) Du har en nanokompositt som består av et plastmateriale og karbon nanorør (CNT).
Hvorfor er den elektriske ledningsevnen til nanokompositten mye høyere over
perkolasjonskonsentrasjonen til CNT enn det den er under perkolasjonskonsentrasjonen?
You have a nanocomposite consisting of a plastic material and carbon nanotubes (CNT). Why is the electric conductivity of the nanocomposite much higher above the percolation threshold of the CNT than below the percolation threshold?
(25 %) Er krympeplast en herdeplast eller en termoplast? Hvorfor?
Is shrink-wrap polymer films a thermoset or a thermoplastic polymer material? Why?
Oppgave 4
Du har et plastmateriale med små ujevnheter på overflaten, og et tilsvarende plastmateriale med en glatt overflate. Det ligger en vanndråpe og en oljedråpe på den glatte overflaten og to vanndråper på den ujevne overflaten (den ene ligger på toppen av ujevnhetene og den andre væter ned i ujevnhetene på overflaten). Vi antar at alle kontaktvinklene er i en likevektstilstand. Volumet av alle dråpene er det samme.
Den ujevne overflaten har et overflateareal som er 3 ganger så stort som den glatte overflaten, og
Kontaktvinkelen til vanndråpen på den glatte overflaten er 1000.
Kontaktvinkelen til oljedråpen på den glatte overflaten er 30°.
Overflatespenningen mellom vann og luft er 72,7 mN/m.
Overflatespenningen mellom olje og luft er 32,6 mN/m.
Grenseflatespenningen mellom plastmaterialet og vann er dobbelt så høyt som grenseflatespenningen mellom plastmaterialet og olje.
You have a plastic material with a rough surface, and a corresponding plastic material with a smooth surface. On top of the smooth surface there is one water drop and one oil drop, and on top of the rough surface there is two water drops (one is resting on top of the rough surface and one is wetting down into the rough surface). We assume that all contact angles are at equilibrium conditions. All drops have the same volume.
The rough surface has a surface area that is 3 times larger than the smooth surface. The drop that is resting on top of the rough surface is in contact with 1/5 of the surface area.
The contact angle of the water drop on the smooth surface is 100°.
The contact angle of the oil drop on the smooth surface is 30°.
The surface tension between water and air is 72.7 mM/m.
The surface tension between oil and air is 32.6 mN/m.
The interfacial tension between the plastic material and water is twice as high as the interfacial tension between the plastic material and oil.
(20 %) Hva er kontaktvinkelen til vanndråpen som ligger på toppen av ujevnhetene?
What is the contact angle of the water drop that is resting on top of the rough surface?
(20 %) Hva er kontaktvinkelen til vanndråpen som væter ned i ujevnhetene?
What is the contact angle of the water drop that is wetting down into the rough surface?
(20 %) Vi løfter langsomt på den ene enden av plastmaterialet med små ujevnheter på overflaten, slik at vanndråpene blir liggende på et skråplan som blir gradvis brattere. Dråpen som ligger på toppen av ujevnhetene begynner å rulle nedover skråplanet tidligere enn dråpen som væter ned i ujevnhetene (dvs ved en lavere vinkel på skråplanet). Hva er de 2 årsakene til dette?
We slowly raise one end of the plastic material with the rough surface, so the water drops is resting on a slope that is gradually becoming steeper. The drop that is resting on top of the rough surface starts to roll down the slope before the drop that is wetting down into the rough surface (i.e., at a smaller slope angle). What are the 2 causes for this?
(40 %) Hva er grenseflatespenningen mellom plastmaterialet og vann? Hva er
grenseflatespenningen mellom plastmaterialet og olje? Hva er overflatespenningen mellom plastmaterialet og luft?
What is the interfacial tension between the plastic material and water? What is the interfacial tension between the plastic material and oil? What is the surface tension between the plastic material and air?
Vedlegg til Del 2 Formelsamling:
For en dråpe som hviler på en fast overflate gir Youngs ligning:
n Ysu —Ysx, cos u =
Y LG
hvor 0 er kontaktvinkelen til dråpen, ysGer overflatespenningen mellom det faste stoffet og luft, ysi, er grenseflatespenningen mellom det faste stoffet og væsken (dråpen) og YLGer overflatespenningen mellom væsken og luft.
Dersom overflaten er ujevn gjelder Wenzels ligning cos 0,.„„gh= f cos /9,„2„th
dersom dråpen væter alle ujevnhetene og Cassie-Baxters ligning
• cos Oro„gi,= —1+ økos Osmooth+ 11
dersom dråpen ligger på toppen av ujevnhetene.
f = Arough/Asmooth hvor A er arealet av overflaten, og 4)er fraksj onen av overflaten som dråpen er i kontakt med.
Equations:
Youngs equation, for a drop that is resting on top of a solid surface
COSUn
= Y SG — Y SL
71,G
where 0 is the contact angle of the drop, ysGis the surface tension between the solid surface and air, ysi, is the interfacial tension between the solid surface and the liquid drop, and yLGis
11
1 the surface tension between the liquid drop and air.Wenzel's equation for a rough surface where the drops is wetting down into the rough surface:
cos 9„„gh= f cos 9,„,„th
Cassie-Baxter's equation for a drop that is resting on top of a rough surface:
cos0 „„gh = —1 +ø[Cos05„wom+ 1]
f =Arough/Asmooth where A is the area of the surface, and (I)is the fraction of the surface the drop is in contact with.
--- --- slutt avDel 2 --- ---
Del 3: Kompositt materialer (1/3)
Oppgave 5: Plast og kompositter
Et komposittlaminat, tilvirket ved hjelp av vakuuminjeksjon, består av kontinuerlige og ensrettede glassfiber og vinylester matrise. Se figur under.
(Figur til Oppgave 5)
Følgende materialparameter er oppgitt:
V Volumfraksjon fiber,
Vf=
0.54.Volumfraksjon matrise,
17m=1- Vf.
E-modulen til glassfibrene i fiberretningen,
Ef=
75GPa.E-modulen til ren uarmert vinylester,
Em=
3.1GPa.(30%) Bestem E-modulen til komposittlaminatet parallelt med fiberretningen, EL, ved hjelp av "Rule of mixture".
Kreftene i henholdsvis fiberfasen
(F1)
og matrisefasen (Fm) er direkte proporsjonale med volumfraksjonsforholdet til de to fasene, VfogVm.
(30%) Vis at:
Ff EfVf
F „ EniV,„
(Hint: Benytt Hooke's lov)GRP laminatet har et tverrsnittsareal, A0=250mm2, og er utsatt for en
total
normalkraft langs fiberretningen, FF1+ Fin=
12.5kN. Benytt i tillegg utrykket fra b) og husk atVf=
Af/A0og Vm=AmMo.(40%) Beregn normalspenningskomponentene i henholdsvis fiberfasen, a
=F1/A1
og matrisefasen, am=Fm/Am.
Oppgave 6: Plast og kompositter
(50%) Lag en skisse med beskrivelse som forklarer hvordan man framstiller et komposittlaminat ved hjelp av prosessen vakuuminjeksjon. Navngi hvilke komponentene og utstyret som inngår i prosessen i skissen.
(25%) Hvilke tre hovedtyper av resiner benyttes i herdeplaster?
(25%) En viktig egenskap knyttet til armeringsfiber er begrepet "size". Hva er "size"
og hvilken 2 hovedfunksjoner har det?
--- --- slutt
av Del 3 --- ------ ---
