Infrastruktura pro studijní program Fyzikální a materiálové inženýrství (FMI)

1/7 2019

OP VVV

Vytvoření infrastruktury pro inovovaný doktorský studijní program Fyzikální a materiálové inženýrství (CZ/ENG)

název Vytvoření infrastruktury pro inovovaný doktorský studijní program Fyzikální a materiálové inženýrství (CZ/ENG)  
identifikace poskytovatele MŠMT ČR  
program OP VVV  
identifikace projektu CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_017/0002623  
odpovědný řešitel doc. Ing. Pavel Tesárek, Ph. D.  
výsledky a výstupy projektu Nově vybudovaných nebo modernizovaných infrastruktur 8
  Počet studentů, kteří je budou využívat 95
  Podíl studentů doktorského studia 2,5 %
  Počet doktorandů využívajících infrastruktury 10
  Plocha rekonstruovaných laboratoří 35 m2
anotace celkového přínosu Projekt reaguje na současný vývoj technologií, materiálů a experimentálních metod v oblasti fyzikálního a materiálového inženýrství ve stavebnictví. Cílem projektu je modernizovat a doplnit stávající experimentální vybavení na Stavební fakultě tak, aby si posluchači zejména doktorských studijních programů mohli prakticky osvojovat nejmodernější experimentální metody, které se používají při zkoušení vlastností stavebních hmot a vývoji nových materiálů.  

Pořízené infrastruktury a anotace jejich přínosů

1) Sestava pro získávání dat pro zpracování metodou korelace digitálního obrazu (DIC)

Optické metody jsou stále více a více využívány v experimentální mechanice jako plnohodnotná alternativa konvečních metod měření posunů a deformací těles. V mnoha ohledech však konveční metody překonávají. Díky nově pořízeným vysokorychlostním kamerám iX Cameras i-SPEED 726 a nezbytného příslušenství jako jsou například stativy, objektivy a světla, máme nové možnosti měření. Tím se zhodnotila léta práce a vývoje v rámci Laboratoře optických měření (http://mech.fsv.cvut.cz/~cam/) při Katedře mechaniky Fakulty stavební ČVUT. Pomocí snímků z vysokorychlostních kamer je nyní možné zaznamenávat dynamické jevy a chování konstrukcí i materiálů, ale i výbuchy a proudění tekutin. Pomocí metody korelace digitálního obrazu tak lze mapovat rozvoj deformací v okolí trhlin či provést plošnou modální analýzu.
Díky vysokorychlostním kamerám se výrazně zvýšila hodnota práce a konkurenceschopnost fakulty, čehož bylo využito při podávání návrhu grantu na výzvu Grantové agentury České republiky. V rámci navržené výzkumné agendy bychom se od příštího roku, ve spolupráci s týmem z Karlovy univerzity, zabývali porušováním hornin a kalibrací pokročilých numerických modelů. V neposlední řadě jsou s prací s kamerami a následným vyhodnocováním snímků seznamováni studenti v rámci již zavedených předmětů zaměřených na experimentální analýzu, ale zejména v rámci nového předmětu Korelace digitálního obrazu v experimentální mechanice a při tvorbě závěrečných prací.

OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_01_01_k.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_01_02_k.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_01_03_k.jpg

 

2) Měřicí systém pro in-situ měření geotech. parametrů a Zařízení pro stanovení hydraulických charakteristik horninových vzorků

Pořízením nového vybavení jsme podstatně rozšířili možnosti měření propustnosti materiálů. Doposud se jednalo pouze o bobtnavé jíly, nové vybavení lze použít pro měření propustnosti dalších materiálů jako např. hornin, betonu nebo nebobtnavých zemin. Vybavení plánujeme využít, vedle základní charakterizace materiálů, i na měření změn propustnosti vlivem dlouhodobé interakce s okolním prostředím.
Zařízení pro velmi přesnou kontrolu tlaku a množství kapaliny Hydromatic 28-WF45DG, pracovní tlak 0-3,5 MPa, objem 250 cm3, přesnost měření tlaku 0,1 kPa , přesnost měření objemu 0,001 cm3, automatické řízení zkoušky.
Měřicí ústředna Campbell-Scientific - CR1000 Datalogger, NL 121 network module, AVW vibrating wire interface – AVW200, AM16/32 multiplexer, PS200 power supply. Měřicí ústředna umožňuje záznam fyzikálních dat snímačů založených na několika různých principech měření (s výjimkou optovláknových senzorů), typicky tzv. vibrating wire.
Z měřicí ústředny se data přenášejí na server a ukládají do databáze, z které lze díky webovému rozhraní nebo pomocí přímého stahování data zobrazit a dále s mini pracovat.
Sestava čidel pro výukové účely měření in situ: piezometr - čidlo pro měření tlaku, strunový tenzometr (2 ks) – čidlo pro měření deformace, výrobce Geokon.

OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_02_01_H.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_02_02_H.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_02_03_u.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_02_04_t.jpg

 

3) Dynamický smykový reometr

Zkušební zařízení slouží primárně pro měření a posouzení chování asfaltového pojiva širokém spektru teplot a frekvencí, které mohou odděleně nebo společně simulovat a současně popisovat chování, kterému je materiál vystaven v závislosti na klimatických podmínkách okolí a působícího namáhání. S ohledem ke skutečnosti, že asfaltové pojivo tvoří klíčovou materiálovou složku konstrukcí vozovek, jedná se tak především o namáhání dopravou. Obdobně však lze provádět dynamická reologická měření asfaltových pojiv, která se využijí v oblasti hydroizolací nebo střešních lepenkových krytin. Teplotní interval proveditelných měření je minimálně od -20°C do 200°C s frekvencemi od 0,01 Hz po 100 Hz.
Testovat lze různé typy asfaltových pojiv a jejich modifikací, s využitím různých přísad a modifikátorů. Současně přístroj umožňuje provádět smyková měření na kompozitech typu lepené sklo a s měřícími geometriemi, které jsou součástí námi využívaného reometru pak i měření pryže či směsi pryže a asfaltového pojiva. Daná geometrie by měla být aplikovatelná i na cementové pasty. Tím je využitelnost přístroje velmi široká a umožňuje tradiční mechanické zkoušky a pevnostní či deformační charakteristiky doplnit o dynamické modulové charakteristiky či viskozity. Takto komplexní soubor měření dosud Fakulta stavební ČVUT v Praze neměla k dispozici a přístroj tak rozšiřuje možnosti prováděných měření a experimentů.
Z hlediska asfaltových pojiv přístroj umožňuje testovat:
- dynamickou viskozitu, včetně tzv. „zero shear viscosity“
- komplexní smykový modul v oscilačním či rotačním režimu s uplatněním teplotních nebo frekvenčních ramp
- nevratnou poddajnost materiálu s využitím cyklické zkoušky opakovaného namáhání a relaxace (MSCR test)
- posuzování únavového chování asfaltového pojiva

OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_03_06_R.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_03_01_R.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_03_03_R.jpg

OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_03_04_R.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_03_05_R.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_03_02_R.jpg

 

4) Robustní varianta elektronového mikroskopu

Stěžejním přístrojem nově vybudované Laboratoře skenovací elektronové mikroskopie Fakulty stavební (CE-SEM Lab) je elektronový mikroskop Phenom XL. Jeho hlavní předností je uživatelsky přátelské ovládání, které umožňuje zvládnout základní měření po několikahodinovém zaškolení. Tím se elektronová mikroskopie stala snadno dostupnou pro studenty a zaměstnance fakulty, kteří zařízení využívají pro své studijní, pedagogické a vědecké projekty, zatímco dříve byli odkázáni na spolupráci s jinými institucemi. Nedílnou součástí laboratoře elektronové mikroskopie je přípravna vzorků. K preciznímu dělení studovaných materiálů slouží pila Struers Secotom 50, k úpravě povrchu vzorků pak bruska/leštička Struers Tegramin 20. V případě potřeby je možné vzorky pokovit pomocí naprašovačky Quorum SC 7620. Laboratoř je dále vybavena pomocnými přístroji, jako jsou ultrazvuková lázeň, sušárna, boxy pro ukládání vzorků atd.
Vybudovaná SEM laboratoř s přípravnou vzorků umožňují charakterizaci širokého spektra konstrukčních materiálů. Při koncipování provozu laboratoře a výběru vybavení byl kladen důraz na maximalizaci individuální práce proškolených uživatelů, na jejich nezávislost jak na obsluze laboratoře, tak na kooperaci s jinými pracovišti. Práce v laboratoři je umožněna zaškoleným uživatelům přes on-line rezervační systém. Takto založená laboratoř umožňuje uživatelům řešit výzkumné projekty v široké oblasti materiálových věd. Pedagogický význam laboratoře spočívá zejména v možnosti samostatné práce studentů při řešení svých bakalářských, diplomových a disertačních prací. V laboratoři probíhá též část výuky několika předmětů vyučovaných v doktorském studiu oboru Fyzikální a Materiálové Inženýrství.

OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_03_01_m.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_03_02_m.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_03_03_m.jpg

OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_03_04_m.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_03_05_m.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_03_06_m.jpg

 

5) Měřicí systém pro modální analýzu a měření vibrací a dynamického modulu pružnosti

Měřící systém pro modální analýzu a měření vibrací, který byl pořízen v rámci projektu OP VVV, je a bude využíván k dynamickým experimentům, které katedra mechaniky dlouhodobě provádí v rámci doktorandského a magisterského studia i při spolupráci s odbornou praxí. Nově pořízený měřicí systém nahradil původně používaná experimentální zařízení starší více než 15 let, která byla již zastaralá a svou kapacitou omezovala rozsah a zvyšovala časovou náročnost realizovaných experimentů.
Pořízená infrastruktura bude využívána při experimentech zaměřených:
- na stanovení charakteristik vlastního kmitání (vlastních frekvencí, vlastních tvarů a útlumu) stavebních konstrukcí (lávek pro pěší, silničních mostů, železničních mostů, obytných staveb, průmyslových objektů apod.), stavebních konstrukčních prvků a materiálových vzorků,
- na získání dynamického modulu pružnosti materiálových vzorků a jeho využití při zkoumání vývoje vlastností standardních, modifikovaných i nově vyvíjených stavebních materiálů,
- na určení úrovně vibrací způsobených vynuceným kmitáním stavebních konstrukcí při zkoumání účinků vibrací na uživatele staveb, na instalované stroje a přístroje z hlediska mezního stavu použitelnosti, při hodnocení účinků technické seizmicity z pohledu mezního stavu únosnosti staveb apod.,
- na měření časových průběhů různých fyzikálních veličin (např. charakteristik elektromagnetického pole pomocí Hallových sond),
při inovaci, rozvoji a výzkumu využití experimentálně získaných výsledků v rámci výuky při řešení problematiky disertačních, diplomových a bakalářských prací, při řešení vědeckovýzkumných projektů i při spolupráci s odbornou praxí.

OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_05_01_M.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_05_02_M.jpg

OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_05_03_M.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_05_04_M.jpg

 

6)  Elektromechanický lis pro zachycení tahového změkčení kvazikřehkých materiálů

Důvodem pořízení zkušebního lisu byla skutečnost, že v rámci doktorských studijních programů je značná pozornost věnována experimentální činnosti, a zvláště výzkumu mechanických vlastností materiálů. Zkušební zařízení MTS Criterion umožňuje studentům výzkum materiálových vlastností nejen stavebních materiálů formou destruktivního zkoušení, ale i testování textilií, kompozitů, slitin. Experiment je možno provádět ve smyslu tlakového i tahového namáhání, a to zkušebních těles značné délky, která může dosahovat délky až 1 m. Variabilnost zařízení umožňuje použití siloměrů různé kapacity až do výše 50 kN. Tím je umožněno věnovat značnou pozornost přesnosti měřených veličin síly. Na zkušebním stroji jsou realizovatelné i testy zkušebních těles v tříbodové, případně čtyřbodové ohybové zkoušce. Značnou výhodou je možnost měření až dvěma příložnými extenzometry, jejichž signál je zaznamenáván v synchronizaci s velikostí aktuálního zatížení.

OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_06_01_l.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_06_02_l.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_06_03_l.jpg

 

7) EDXRF spektrometr

ED-XRF spektrometr, ARL Quant´X, Rhermo Scientific
Jedná se o stolní energiově-disperzní roentgen fluorescenční spektrometr s energiově-disperzním detektorem, který umožňuje měření v různém prostředí (vzduch, vakuum, technický plyn). Kvalitativní a kvantitativní analýza zahrnuje pevné, práškové i kapalné vzorky v rozsahu od Na po U. Pro optimalizaci měření přístroj disponuje kolimátory různé velikosti a automatickým podavačem vzorků velikosti do 32 mm v průměru. Operační software je bez omezení počtu analyzovaných prvků v jednom měření a umožňuje, kromě standardního vyhodnocení, také zobrazení kalibračních křivek, překrytí spekter, automatickou či manuální identifikaci píků, odstranění pozadí atd.
Pořízené zařízení rozšiřuje možnost efektivního a cíleného materiálového výzkumu. Kromě standardní prvkové analýzy je možné provádět i analýzu tenkých vrstev a filtrů. Výstupní data slouží také jako vstupní hodnoty pro FT-IR a XRD spektrometrickou analýzu složení a struktury materiálů.

OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_07_01_s.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_07_02_s.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_07_03_s.jpg

 

8) Vysokoteplotní dilatometr

Vysokoteplotní dilatometr DIL 402 Expedis select, NETZSCH
Jedná se o automatický přístroj pro termomechanickou analýzu s horizontálním uspořádáním měření vzorku s teplotním rozsahem do 1 600 °C. “Nano Eye” optoelektrický sensor s vysokým rozlišením a nízkým šumem v celém měřícím rozsahu umožňuje přímé měření vzorků s průměrem do 8 mm a délkou do 50 mm. Automatické měření délky vzorku přístrojem eliminuje nutnost použití externího měřidla. Při měření je kontinuálně sledována a regulována přítlačná síla tak, aby byla konstantní, což umožňuje měřit i velice křehké materiály. Sledování délkových změn zkoumaných materiálů může probíhat v režimu měření za vakua, nebo při různých atmosférách. Softwarové vybavení umožňuje, kromě nastavení měřících a analytických podmínek, také analýzu naměřených dat, stanovení hustoty vzorku atd.
Pořízení tohoto přístroje nám rozšířilo možnost studovat změny ve struktuře materiálu při vystavení vysokoteplotnímu namáhání a tím stanovit jeho odolnost například při vysokoteplotním výpalu, požáru, výbuchu apod.

OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_08_01_d.jpg   OPVVV_ERDF_FMI_2623_foto_08_03_d.jpg

Zpátky nahoru