Characterization of fatigue behavior of polydimethylsiloxane
Polidimetilsiloksanın yorgunluk davranışının karakterizasyonu
- Tez No: 1000320
- Danışmanlar: Prof. Dr. ERDEM ALACA, DR. UMUT KERİMZADE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Mekanik yorulma, Polidimetilsiloksan, Yorulma analizi, Yorulma ömrü, Mechanical fatigue, Polydimethylsiloxane, Fatigue analysis, Fatigue life
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Polidimetilsiloksan (PDMS), mikropompalar, yumuşak robotik, giyilebilir cihazlar ve doku iskeleleri gibi döngüsel yükleme içeren mühendislik ve biyomedikal uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, kuvvet kontrollü koşullar altındaki yorulma davranışı büyük ölçüde karakterize edilmemiş olup, bu malzemeden üretilen cihazların uzun vadeli güvenilirliği için risk oluşturmaktadır. Bu tez, kuvvet kontrollü döngüsel yükleme altında PDMS'nin yorulma ömrünü inceleyerek bu boşluğu gidermiştir. Geri besleme kontrollü bir aktüatör ve Dijital Görüntü Korelasyonu (DIC) için otomatik bir kamera sistemine sahip özel yapım tek eksenli bir gerdirici geliştirilmiştir. Hibrit bir yöntem, çoğu döngü için çapraz kafa yer değiştirmesini ve yüksek doğrulukta gerinim düzeltmesi ve kalibrasyonu için periyodik DIC ölçümlerini kullanmıştır. 0,85-2,8 MPa gerilim genliklerinde 77 PDMS numunesi üzerinde deneyler gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar kesin bir nicel karakterizasyon üretti: $S = 2,994 \times N^{-0,007586}$ denklemiyle kuvvet kontrollü bir S-N eğrisi oluşturuldu ve 2,25 MPa'lık net bir yorulma dayanıklılık sınırını ortaya koydu. Bu gerilimde veya altında test edilen tüm numuneler 1.000.000 çevrimi arıza olmadan atlattı. Sonlu ömür rejimi (2,5-2,8 MPa) için Weibull arıza olasılığı analizi, şekil parametresinde 2,5 MPa'da 12,79'dan 2,8 MPa'da 6,37'ye bir düşüş gösterdi ve daha yüksek gerilimlerde yorulma ömründeki artan değişkenliği ölçtü. Dahası, DIC analizi, logaritmik bir eğilimi izleyen ilerleyici bir birikim göstererek mandal gerilimi evrimini ölçtü. Yaklaşık 0,17'lik kritik bir cırcırlı gerilim eşiği, arızanın habercisi olarak tanımlanmıştır. S-N eğrisinin 1 döngüdeki gerilim kesişimi, bağımsız çekme testlerinden belirlenen nihai çekme dayanımı ($\sim 3$ MPa) ile örtüşmektedir. Bu araştırma, dayanıklı yumuşak cihazlarda PDMS'nin yorulmaya dayanıklı uygulaması için sağlam ve nicel tasarım kılavuzları sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Polydimethylsiloxane (PDMS) is an elastomeric material with myriad applications, particularly in the field of biomedicine. Many devices in various applications utilize PDMS, particularly in those that experience cyclic loads, such as micropumps, soft robotics, wearable devices, and tissue scaffolds. All such applications that experience repeated loading require knowledge of the fatigue behavior of PDMS for a reliable design and to predict the device's useful life. While the fatigue behavior of several materials is well-characterized, the fatigue life of PDMS remains poorly understood, especially under constant-force loading. In this thesis, we conduct force-controlled fatigue testing of PDMS to address this gap in the literature. To achieve this purpose, we custom-built a uniaxial stretcher and integrated it with a force control feedback system, equipped with a digital camera to capture images at the appropriate moments. We employed a hybrid method, where crosshead displacement was used for the bulk of the fatigue test, while at specific cycles, we took DIC measurements for high-accuracy strain measurements. We conducted experiments on 77 PDMS samples with maximum stress amplitudes ranging from 0.85 to 2.8 MPa. The outcome of this mechanical characterization of the fatigue behavior of PDMS research yielded some quantitative results. Firstly, the equation of the S-N curve is found to be $S = 2.994 \times N^{-0.007586}$. All Samples tested at or below a stress level of 2.25 MPa survived 1,000,000 cycles without failing, and the samples tested at the stress level of 2.5 MPa experienced at least one failure in our tests. We fitted the Weibull distribution to the data of stress levels where failures were observed. The shape parameter decreased from 12.79 at 2.5 MPa to 6.37 at 2.8 MPa, indicating a higher failure probability at higher stress amplitudes. We quantified the ratcheting behavior of PDMS using DIC analysis and discovered that ratcheting strain increases logarithmically with fatigue cycles. We also found that whenever the samples reach a ratcheting strain of 0.17, failure becomes very likely, suggesting that this ratcheting strain is a precursor to failure. At one cycle, our S-N curve predicts a failure stress value that is remarkably close to the ultimate tensile strength of PDMS ($\sim 3$ MPa) that we determined from tensile tests separately, further strengthening confidence in our results.
Benzer Tezler
- Doğal genleşmiş perlit ve lignoselüloz dolgulu EPDM kauçuk kompozitlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of EPDM rubber composites filled with natural expanded perlite and lignocellulose
CENNET ÇAVDAROĞLU
- Laparoskopik cerrahide akıllı eyleyicili ameliyat aletlerinin tutucu kuvvet kontrolü ve doku ile etkileşmi
Grasping force control and tissue interaction of smart actuated surgical tools in laparoscopic surgery
MİTHAT CAN ÖZİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLKER MURAT KOÇ
DR. ÖĞR. ÜYESİ BİLSAY SÜMER
- Characterization and fatigue behavior of Ti-6Al-4V foams
Gözenekli Ti-6Al-4V alaşımlarının karakterizasyonu ve yorulma davranışları
EMİN ERKAN AŞIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR BOR
- Ti6Al4V Alaşımının Borlanmasının Yorulma Davranışı ve Mekanik Karakterizasyona Etkisi
Effect of boriding of Ti6Al4V alloy on fatigue behavior and mechanical characterization
BAHADIR FURKAN KINACI
Doktora
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEVAT ÖZARPA
- Experimental investigation of the fatigue behavior of Short Fiber Reinforced Polymers using specimens of highly coherent fiber orientation
Başlık çevirisi yok
DENİZ OZTURK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiPolıtecnıco Dı MılanoPROF. DR. ANDREA BERNASCONİ
DR. LUCA MİCHELE MARTULLİ
DR. ANDREA CANEGRATİ