Miks on klaaskiudude tugevdamise tõmbetugevus palju suurem kui terase tugevdamise oma, kuid elastne moodul on madalam? Milline on selle mehaaniline mehhanism?

Klaaskiudude tugevdamise tõmbetugevus on palju suurem kui terase tugevdus, kuid selle elastsusmoodul on madalam, mis on tingitud olulistest erinevustest selle materjali koostises, mikrostruktuuris ja mehaanilises mehhanismis. Allpool on üksikasjalik analüüs teaduslike põhimõtete vaatenurgast:

1 、 tõmbetugevuse erinevuse põhimehhanism

Klaaskiust tugevdus: kovalentsed sidemed ja kiu tugevdusmehhanism

Materjal: klaaskiudude tugevdamine on valmistatud klaaskiust kui tugevdusfaas (moodustab 60–70% mahu järgi) ja selle põhikomponent on ränidioksiid (SiO ₂) võrgustruktuur, mis moodustab ülitugeva võre kovalentsete sidemete kaudu.

Tugevusallikas:

Klaasikiudude murdude energia: klaaskiudude luumurdude energia on koguni 7,0–9,5 kJ/m ², ületades kaugelt metallsidemete luumurdude energia terasest vardates (umbes 2,5–4,0 kJ/m ²).

Kiudude paigutuse optimeerimine: kiud on paigutatud korralikult piki aksiaalset suuna ja koormus edastatakse vaigu maatriksi kaudu tõhusalt kiududele, saavutades kontsentreeritud pingelaagri piki kiudude suunas.

Andmete võrdlus: klaaskiust tugevdamise tõmbetugevus võib ulatuda 500–900 MPa, samas kui tavalise terase tugevduse (HRB400) oma on 400–600 MPa ja ülitugeva terase tugevdus (HRB600) on ainult 600–750 MPa.

Tugevdamine: metalli side ja nihestamise tugevdamise mehhanism

Materjali vundament: Terasvardad on valmistatud rauast süsinikusulamist, mis on moodustatud ferriit pärlliidi konstruktsiooniks kuuma veeremise või külma joonistamise protsesside kaudu. Metallsidemete mittesuunaline olemus annab neile ühtlase kolmemõõtmelise koormuse kandmise.

Tugevusallikas:

Dislokatsiooniliikumiskindlus: süsinikuaatomi tahke lahus tugevdamine ja pärliidi lamellstruktuur takistab lahkamise libisemist, kuid metallsidemete luumurdude energia piirab nende teoreetilist tugevuse ülemist piiri.

Plastilise deformatsiooni panus: Terasevarraste purunemise pikenemine võib ulatuda 15–25% -ni. Plastilise deformatsiooni etapis imendub energia dislokatsiooni leviku kaudu, kuid ohverdatakse teatavat teoreetilist tugevust.

2 、 Elastse mooduli erinevuse põhimehhanism

Klaaskiud tugevdus: vaigu maatriks ja liidesefekt

Maatriksmooduli piirang: vaigu maatriksi (näiteks epoksüvaik) elastne moodul on ainult 3-5 GPA, mis on palju madalam kui terase tugevdamise 200 GPa.

Liidese liimi nõrkus: klaaskiu ja vaigu (tavaliselt <10 MPa) vaheline liidese sidumisjõud on palju madalam kui ferriidi ja pärlite vaheline sidumisjõud terasvarrastes ning see on kalduvus pinge all liidesele või maatriksi pragunemisele.

Riikad omadused: klaaskiust tugevdamise pinge-tüve kõver näitab lineaarset luumurdu, millel puudub terasvarraste saagikuse platvorm, mille tulemuseks on ilmne elastne moodul (40–60 GPA), mis on ainult 1/3-2/5 terasest ribadest.

Tugevdamine: metallside ja kristallide libisemismehhanism

Kõrge jäikus: metallsidemete mittesuunaline olemus võimaldab kristallide libisemissüsteemi ühtlaselt jaotada kolmemõõtmelises ruumis, mille tulemuseks on kõrge vastupidavus dislokatsiooniliikumisele ja kõrge elastse mooduliga (200 GPA) terasest vardad.

Plastilise deformatsiooni reguleerimine: Terasvarraste plastist deformatsiooni etapp vabastab dislokatsiooni ümberkorraldamise kaudu kohaliku pinge kontsentratsiooni, säilitades elastse mooduli stabiilsuse.

3 、 Tulemuslikkuse erinevuste tehniline tähtsus

Iseloomulikud klaaskiuduga tugevdatud terasvardad

Tõmbetugevus 500-900 MPa (oluline eelis) 400-750 MPa

Elastne moodul 40-60 GPA (1/3-2/5 terasest vardad) 200 GPA

Rikkerežiim habras luumurd (hoiatus pole) leviala kõrgkäik (hoiatus)

Rakendatavad stsenaariumid: Kõrged nõuded korrosioonikindluse, kerge, väsimuskindluse, plastilise deformatsiooni ja seismilise vastupidavuse osas

4 、 Järeldus

Klaasikiudude tugevdamise kõrge tõmbetugevus on tingitud kovalentsest sideme struktuurist ja klaaskiudude optimeeritud kiudude paigutusest, samas kui madala elastse mooduliga piirab vaigu maatriksi moodul, ebapiisav kiu maatriksi liidese tugevus ja materiaalne britt. See omaduste kombinatsioon annab sellele korrosioonikindluse, kergete ja väsimuskindluse stsenaariumide ainulaadsed eelised, kuid see tugineb siiski terase tugevdamisele konstruktsioonides, mis nõuavad suurt jäikust või plastilist deformatsiooni. Tulevikus eeldatakse, et nano modifitseeritud vaigu või kiudude pinna töötlemise tehnoloogia kaudu suurendab see veelgi klaaskiudude tugevdamise elastset moodulit ja laiendab selle rakendusvahemikku.