Warum ist die Zugfestigkeit der Glasfaserverstärkung viel höher als die der Stahlverstärkung, aber der elastische Modul ist niedriger? Was ist sein mechanischer Mechanismus?

Die Zugfestigkeit der Glasfaserverstärkung ist viel höher als die der Stahlverstärkung, aber sein elastischer Modul ist geringer, was auf die wesentlichen Unterschiede in ihrer Materialzusammensetzung, der Mikrostruktur und seinem mechanischen Mechanismus zurückzuführen ist. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Analyse aus der Perspektive der wissenschaftlichen Prinzipien:

1 、 Der Kernmechanismus des Unterschieds in der Zugfestigkeit

Glasfaserverstärkung: kovalente Bindungen und Faserverstärkungsmechanismus

Materialbasis: Glasfaserverstärkung besteht aus Glasfaser als Verstärkungsphase (die 60% -70% nach Volumen ausmachen), und seine Kernkomponente ist eine Siliciumdioxid -Netzwerkstruktur, die durch kovalente Bindungen ein hochfestes Gitter bildet.

Kraftquelle:

Die Frakturenergie von Glasfaser: Die Bruchergie von Glasfasern beträgt bis zu 7,0 bis 9,5 kJ/m ², was die Bruchergie von Metallbindungen in Stahlstäben (ca. 2,5 bis 4,0 kJ/m ²) weit überschreitet.

Optimierung der Faseranordnung: Fasern werden in ordentlicher Weise entlang der axialen Richtung angeordnet, und die Last wird durch die Harzmatrix effizient an die Fasern übertragen, wodurch eine konzentrierte Spannung entlang der Faserrichtung erreicht wird.

Datenvergleich: Die Zugfestigkeit der Glasfaserverstärkung kann 500-900 MPa erreichen, während die gewöhnliche Stahlverstärkung (HRB400) 400-600 MPa beträgt und eine hohe Stahlverstärkung (HRB600) nur 600-750 MPa beträgt.

Verstärkung: Metallbindung und Versetzungsmechanismus zur Verstärkung

Materialfundament: Stahlbalken bestehen aus Eisenkohlenstofflegierung, die durch heiße Roll- oder Kaltzeichnungsprozesse zu einer Ferritperlitstruktur gebildet wird. Die nicht gerichtete Natur von Metallbindungen verleiht sie mit gleichmäßiger dreidimensionaler tragender Kapazität.

Kraftquelle:

Versetzungsbewegungsbeständigkeit: Feststofflösungsverstärkung und Perlitlamellenstruktur behindern den Versetzungsschlupf, aber die Frakturenergie von Metallbindungen begrenzt ihre theoretische Festigkeit Obergrenze.

Beitrag der plastischen Deformation: Die Dehnung bei Bruch von Stahlstäben kann 15% -25% erreichen. Während der plastischen Verformungsstufe wird die Energie durch Versäumnisverbreitung absorbiert, aber einige theoretische Festigkeit wird geopfert.

2 、 Der Kernmechanismus des Unterschieds im Elastizitätsmodul

Glasfaserverstärkung: Harzmatrix und Grenzflächeneffekt

Einschränkung des Matrixmoduls: Der elastische Modul der Harzmatrix (wie Epoxidharz) beträgt nur 3-5 GPa, viel niedriger als die 200 GPa Stahlverstärkung.

Schwäche der Grenzflächenbindung: Die Grenzflächenbindungsstärke zwischen Glasfaser und Harz (normalerweise <10 MPa) ist viel niedriger als die Bindungsfestigkeit zwischen Ferrit und Perlit in Stahlstäben und neigt anfällig für Grenzflächen, die unter Spannung diskutieren oder matrixrissen.

Spritzige Eigenschaften: Die Spannungs-Dehnungs-Kurve der Glasfaserverstärkung zeigt eine lineare Fraktur, die eine Ertragsplattform für Stahlstangen fehlt, was zu einem scheinbaren elastischen Modul (40-60 GPa) führt, der nur 1/3-2/5 der Stahlstangen entspricht.

Verstärkung: Metallbindung und Kristallschlupfmechanismus

Hohe Starrheitsessenz: Die nicht gerichtete Natur von Metallbindungen ermöglicht es, dass das Kristallschlupfsystem im dreidimensionalen Raum gleichmäßig verteilt wird, was zu einer hohen Reaktionsregelbewegung und dem Ausgleich von Stahlstäben mit hohem elastischen Modul (200 GPa) führt.

Plastische Verformungsregulierung: Die plastische Verformungsstufe der Stahlstäbe setzt die lokale Spannungskonzentration durch Versetzungsumlagerung frei, wodurch die Stabilität des elastischen Moduls aufrechterhalten wird.

3 、 Die technische Bedeutung von Leistungsunterschieden

Charakteristische Glasfaser -Stahlstangen aus Glasfasern

Zugfestigkeit 500-900 MPa (signifikanter Vorteil) 400-750 MPa

Elastizitätsmodul 40-60 GPA (1/3-2/5 Stahlstangen) 200 GPa

Ausfallmodus Spröder Fraktur (keine Warnung) Necking Duktiles Versagen (Warnung)

Anwendbare Szenarien: Hohe Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit, Leichtgewicht, Ermüdungsbeständigkeit, plastische Deformation und seismische Widerstand

4 、 Schlussfolgerung

Die hohe Zugfestigkeit der Glasfaserverstärkung ist auf die kovalente Bindungsstruktur und die optimierte Faseranordnung von Glasfasern zurückzuführen, während der niedrige elastische Modul durch den Modul der Harzmatrix, die unzureichende Fasermatrix -Grenzflächenbindungsstärke und die materielle Brechigkeit begrenzt ist. Diese Kombination von Eigenschaften bietet ihm einzigartige Vorteile der Szenarien der Korrosionsbeständigkeit, des leichten Gewichts und der Ermüdungswiderstand, stützt sich jedoch immer noch auf Stahlverstärkung in Strukturen, die eine hohe Starrheit oder plastische Verformung erfordern. In Zukunft wird erwartet, dass durch die Nano -modifizierte Harz- oder Faseroberflächenbehandlungstechnologie den elastischen Modul der Glasfaserverstärkung weiter verbessert und deren Anwendungsbereich erweitert wird.