چرا مقاومت کششی تقویت فایبرگلاس بسیار بیشتر از تقویت فولاد است ، اما مدول الاستیک پایین تر است؟ مکانیسم مکانیکی آن چیست؟

مقاومت کششی تقویت فایبرگلاس بسیار بیشتر از تقویت فولاد است ، اما مدول الاستیک آن پایین تر است ، که به دلیل تفاوت های اساسی در ترکیب مواد ، ریزساختار و مکانیسم مکانیکی آن است. در زیر یک تحلیل دقیق از منظر اصول علمی آورده شده است:

1 、 مکانیسم اصلی تفاوت در استحکام کششی

تقویت فایبرگلاس: پیوندهای کووالانسی و مکانیسم تقویت فیبر

مبنای مواد: تقویت فیبر شیشه ای از فیبر شیشه ای به عنوان فاز تقویت کننده ساخته شده است (به میزان 60 ٪ -70 ٪ از حجم) و مؤلفه اصلی آن یک ساختار شبکه سیلیس (SIO ₂) است که از طریق پیوندهای کووالانسی یک شبکه با استحکام بالا تشکیل می دهد.

منبع قدرت:

انرژی شکستگی فیبر شیشه ای: انرژی شکستگی فیبر شیشه ای به اندازه 7.0-9.5 کیلوژول در متر است ، که بیش از انرژی شکستگی اوراق قرضه فلزی در میله های فولادی (حدود 2.5-4.0 کیلوژول در متر) است.

بهینه سازی آرایش فیبر: الیاف به صورت منظم در امتداد جهت محوری چیده می شوند و بار به طور موثری از طریق ماتریس رزین به الیاف منتقل می شود و به تحمل استرس غلیظ در امتداد جهت فیبر می رسد.

مقایسه داده ها: مقاومت کششی تقویت فایبرگلاس می تواند به 500-900 مگاپاسکال برسد ، در حالی که تقویت فولاد معمولی (HRB400) 400-600 مگاپاسکال است و تقویت فولادی با استحکام بالا (HRB600) تنها 600-750 مگاپاسکال است.

تقویت: پیوند فلزی و مکانیسم تقویت جابجایی

بنیاد مواد: میله های فولادی از آلیاژ کربن آهن ساخته شده اند که از طریق فرآیندهای نورد گرم یا ترسیم سرد در یک ساختار مروارید فریت تشکیل می شوند. ماهیت غیر جهت ای پیوندهای فلزی آنها را با ظرفیت بارگذاری سه بعدی یکنواخت در معرض خطر قرار می دهد.

منبع قدرت:

مقاومت در برابر حرکت دررفتگی: تقویت محلول جامد اتم کربن و ساختار لایه لایه مروارید مانع از جابجایی دررفتگی می شود ، اما انرژی شکستگی پیوندهای فلزی محدودیت قدرت نظری آنها را محدود می کند.

سهم تغییر شکل پلاستیک: کشیدگی در استراحت میله های فولادی می تواند به 15 ٪ -25 ٪ برسد. در مرحله تغییر شکل پلاستیک ، انرژی از طریق انتشار جابجایی جذب می شود ، اما برخی از قدرت نظری قربانی می شود.

2 、 مکانیسم اصلی تفاوت در مدول الاستیک

تقویت فایبرگلاس: ماتریس رزین و اثر رابط

محدودیت مدول ماتریس: مدول الاستیک ماتریس رزین (مانند رزین اپوکسی) فقط 3-5 GPA است ، بسیار پایین تر از 200 GPA تقویت فولاد.

ضعف پیوند رابط: استحکام پیوند رابط بین فیبر شیشه ای و رزین (معمولاً <10 مگاپاسکال) بسیار پایین تر از استحکام پیوند بین فریت و مروارید در میله های فولادی است و مستعد ابتلا به رابط یا ترک خوردگی ماتریس تحت فشار است.

خصوصیات شکننده: منحنی استرس فشار تقویت فایبرگلاس شکستگی خطی را نشان می دهد ، فاقد یک سکوی عملکردی برای میله های فولادی ، و در نتیجه یک مدول الاستیک ظاهری (40-60 GPA) که فقط 1/3-2/5 از میله های فولادی است.

تقویت: پیوند فلزی و مکانیسم لغزش کریستال

جوهر استحکام بالا: ماهیت غیر جهت گیری اوراق قرضه فلزی باعث می شود که سیستم لغزش کریستال به طور یکنواخت در فضای سه بعدی توزیع شود و در نتیجه مقاومت بالایی در برابر حرکت جابجایی و میله های فولادی وقف با مدول الاستیک بالا (200 GPA) ایجاد شود.

تنظیم تغییر شکل پلاستیک: مرحله تغییر شکل پلاستیک میله های فولادی غلظت استرس موضعی را از طریق بازآرایی جابجایی آزاد می کند و پایداری مدول الاستیک را حفظ می کند.

3 、 اهمیت مهندسی تفاوتهای عملکرد

میله های فولادی تقویت شده فیبر شیشه ای

مقاومت کششی 500-900 MPa (مزیت قابل توجه) 400-750 MPa

مدول الاستیک 40-60 GPA (1/3-2/5 میله های فولادی) 200 GPA

حالت خرابی شکستگی شکننده (بدون هشدار) خرابی انعطاف پذیر گردن (هشدار)

سناریوهای قابل اجرا: نیازهای بالا برای مقاومت در برابر خوردگی ، سبک وزن ، مقاومت در برابر خستگی ، تغییر شکل پلاستیک و مقاومت لرزه ای

4 、 نتیجه گیری

مقاومت کششی بالا تقویت فیبر شیشه ای به دلیل ساختار پیوند کووالانسی و چیدمان فیبر بهینه شده الیاف شیشه ای است ، در حالی که مدول الاستیک کم توسط مدول ماتریس رزین ، استحکام پیوند ماتریس فیبری کافی و مقاومت در برابر مواد و بریتلیته محدود می شود. این ترکیب از خصوصیات مزایای منحصر به فردی در مقاومت در برابر خوردگی ، سبک وزن و مقاومت در برابر خستگی دارد ، اما هنوز هم در ساختارهایی که نیاز به استحکام بالا یا تغییر شکل پلاستیک دارند ، به تقویت فولاد متکی است. در آینده ، از طریق رزین اصلاح شده نانو یا فن آوری تصفیه سطح فیبر ، انتظار می رود که مدول الاستیک تقویت فیبر شیشه ای را بیشتر تقویت کرده و دامنه کاربرد آن را گسترش دهد.