چرا استحکام کششی تقویت‌کننده فایبرگلاس بسیار بیشتر از تقویت‌کننده فولادی است، اما مدول الاستیک کمتر است؟ مکانیسم مکانیکی آن چیست؟

استحکام کششی آرماتورهای فایبرگلاس بسیار بیشتر از آرماتورهای فولادی است، اما مدول الاستیک آن کمتر است که به دلیل تفاوت های اساسی در ترکیب مواد، ریزساختار و مکانیسم مکانیکی آن است. در زیر تحلیلی مفصل از منظر مبانی علمی آورده شده است:

1، مکانیسم اصلی تفاوت در استحکام کششی

تقویت فایبرگلاس: پیوندهای کووالانسی و مکانیزم تقویت الیاف

اساس مواد: تقویت کننده الیاف شیشه از الیاف شیشه به عنوان فاز تقویت کننده (با 60٪ -70٪ حجم) ساخته شده است، و جزء اصلی آن یک ساختار شبکه سیلیسی (SiO 2) است که یک شبکه با استحکام بالا را از طریق پیوندهای کووالانسی تشکیل می دهد.

منبع قدرت:

انرژی شکست الیاف شیشه: انرژی شکست الیاف شیشه به 7.0-9.5 کیلوژول بر متر مربع می رسد که بسیار بیشتر از انرژی شکست پیوندهای فلزی در میله های فولادی است (حدود 2.5-4.0 کیلوژول بر متر مربع).

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

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

تقویت: مکانیزم تقویت باند و نابجایی فلزی

پایه مواد: میله های فولادی از آلیاژ کربن آهن ساخته شده اند که از طریق فرآیندهای نورد گرم یا کشش سرد به ساختار پرلیت فریت تبدیل می شود. ماهیت غیر جهت دار پیوندهای فلزی به آنها ظرفیت باربری سه بعدی یکنواخت می دهد.

منبع قدرت:

مقاومت حرکتی دررفتگی: تقویت محلول جامد اتم کربن و ساختار لایه‌ای پرلیت مانع از لغزش نابجایی می‌شود، اما انرژی شکست پیوندهای فلزی حد بالایی قدرت نظری آنها را محدود می‌کند.

سهم تغییر شکل پلاستیک: ازدیاد طول در هنگام شکستن میله های فولادی می تواند به 15٪ -25٪ برسد. در مرحله تغییر شکل پلاستیک، انرژی از طریق انتشار نابجایی جذب می‌شود، اما برخی از استحکام نظری قربانی می‌شود.

2، مکانیسم اصلی تفاوت در مدول الاستیک

تقویت فایبرگلاس: ماتریس رزین و اثر رابط

محدودیت مدول ماتریس: مدول الاستیک ماتریس رزین (مانند رزین اپوکسی) تنها 3-5 گیگا پاسکال است که بسیار کمتر از 200 گیگا پاسکال تقویت کننده فولادی است.

ضعف اتصال رابط: استحکام اتصال رابط بین الیاف شیشه و رزین (معمولاً کمتر از 10 مگاپاسکال) بسیار کمتر از استحکام پیوند بین فریت و پرلیت در میله‌های فولادی است و مستعد جدا شدن باند یا ترک خوردگی ماتریس تحت تنش است.

ویژگی‌های ترد: منحنی تنش-کرنش تقویت‌کننده فایبرگلاس شکست خطی را نشان می‌دهد، فاقد بستر تسلیم برای میلگردهای فولادی است، که در نتیجه مدول الاستیک ظاهری (40-60 GPa) ایجاد می‌شود که تنها 1/3-2/5 از میلگردهای فولادی است.

تقویت: اتصال فلزی و مکانیزم لغزش کریستال

جوهره سختی بالا: ماهیت غیر جهت دار پیوندهای فلزی باعث می شود که سیستم لغزش کریستالی به طور یکنواخت در فضای سه بعدی توزیع شود که در نتیجه مقاومت بالایی در برابر حرکت نابجایی ایجاد می کند و میله های فولادی را با مدول الاستیک بالا (200 گیگا پاسکال) اعطا می کند.

تنظیم تغییر شکل پلاستیک: مرحله تغییر شکل پلاستیک میلگردهای فولادی، غلظت تنش موضعی را از طریق بازآرایی نابجایی آزاد می‌کند و پایداری مدول الاستیک را حفظ می‌کند.

3، اهمیت مهندسی تفاوت های عملکرد

مشخصه میله های فولادی تقویت شده با الیاف شیشه

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

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

شکستگی شکننده حالت شکست (بدون هشدار) شکست شکل پذیر گردن (هشدار)

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

4- نتیجه گیری

استحکام کششی بالا تقویت‌کننده الیاف شیشه به دلیل ساختار پیوند کووالانسی و آرایش بهینه الیاف الیاف شیشه است، در حالی که مدول الاستیک پایین توسط مدول ماتریس رزین، استحکام ناکافی پیوند رابط ماتریس فیبر و شکنندگی مواد محدود می‌شود. این ترکیب از ویژگی‌ها به آن مزایای منحصر به فردی در مقاومت در برابر خوردگی، سبک وزن و مقاومت در برابر خستگی می‌دهد، اما همچنان در سازه‌هایی که به استحکام بالا یا تغییر شکل پلاستیک نیاز دارند، به تقویت فولاد متکی است. در آینده، از طریق نانو رزین اصلاح‌شده یا فناوری تصفیه سطح فیبر، انتظار می‌رود که مدول الاستیک تقویت‌کننده الیاف شیشه را بیشتر افزایش دهد و دامنه کاربرد آن را گسترش دهد.