Miksi lasikuituvahvistuksen vetolujuus on paljon korkeampi kuin teräsvahvistuksen, mutta elastinen moduuli on alempi? Mikä on sen mekaaninen mekanismi?

Lasikuituvahvistuksen vetolujuus on paljon korkeampi kuin teräsvahvistuksen, mutta sen elastinen moduuli on alhaisempi, mikä johtuu sen materiaalikoostumuksen, mikrorakenteen ja mekaanisen mekanismin olennaisista eroista. Alla on yksityiskohtainen analyysi tieteellisten periaatteiden näkökulmasta:

1 、 Vetolujuuden eron ydinmekanismi

Lasikuituvahvistus: kovalenttiset sidokset ja kuituvahvistuksen mekanismi

Materiaalipohja: Lasikuituvahvistus on valmistettu lasikuidusta vahvistusvaiheena (tilavuuden mukaan 60% -70%), ja sen ydinkomponentti on piidioksidin (SiO ₂) -verkkorakenne, joka muodostaa erittäin luvan hilan kovalenttisten sidosten läpi.

Vahvuuslähde:

Lasikuidun murtumaenergia: Lasikuidun murtumaenergia on jopa 7,0-9,5 kJ/m ², mikä ylittää huomattavasti terästankojen metallisidosten murtumaenergian (noin 2,5-4,0 kJ/m ²).

Kuitujärjestelyn optimointi: kuidut on järjestetty järjestäytyneellä tavalla aksiaalista suuntaa pitkin, ja kuorma siirretään tehokkaasti kuiduille hartsimatriisin läpi saavuttaen tiivistetyn jännityksen, joka kantaa kuidun suuntaa pitkin.

Tietojen vertailu: Lasikuituvahvistuksen vetolujuus voi saavuttaa 500-900 MPa, kun taas tavallisen teräsvahvistuksen (HRB400) lujuus on 400-600 MPa, ja erittäin lupaa teräsvahvistus (HRB600) on vain 600-750 MPa.

Vahvistus: Metallisidos ja dislokaation vahvistamismekanismi

Materiaaliperusta: Teräspalkit on valmistettu raudan hiiliseosista, joka muodostuu ferriittisiksi helmirakenteiksi kuuman valssaus- tai kylmäpiirrosprosessien kautta. Metallisidosten ei-suuntainen luonne tarjoaa ne tasaisella kolmiulotteisella kuormituskyvyllä.

Vahvuuslähde:

Dislokaation liikkeenkestävyys: hiiliatomi kiinteän liuoksen vahvistaminen ja helmilamelli -rakenne estävät dislokaation liukumista, mutta metallisidosten murtumaenergia rajoittaa niiden teoreettisen lujuuden ylärajaa.

Muovisen muodonmuutoksen osuus: Terästankojen tauolla oleva pidennys voi saavuttaa 15% -25%. Muovisen muodonmuutoksen aikana energia imeytyy dislokaation etenemisen kautta, mutta jokin teoreettinen lujuus uhrataan.

2 、 Elastisen moduulin eron ydinmekanismi

Lasikuituvahvistus: hartsimatriisi ja rajapintavaikutus

Matriisimoduulin rajoitus: Hartsimatriisin (kuten epoksihartsin) elastinen moduuli on vain 3-5 GPA, paljon pienempi kuin teräsvahvistuksen 200 GPA.

Rajapinnan sitoutumisen heikkous: Lasikuidun ja hartsin välinen rajapinnan sidoslujuus (yleensä <10 MPa) on paljon alhaisempi kuin ferriitin ja Pearliten välinen sidoslujuus terästankoissa, ja on taipumus rajauksen vähentämisessä tai matriisin halkeilussa stressin alla.

Hauras ominaisuudet: Lasikuituvahvistuksen jännitys-venymäkäyrä osoittaa lineaarisen murtuman, josta puuttuu teräspalkkien satoalusta, mikä johtaa ilmeiseen elastiseen moduuliin (40-60 GPA), joka on vain 1/3-2/5 teräspalkkien ominaisuuksista.

Vahvistus: Metallisidos ja kristallilukumekanismi

Suuri jäykkyys olemus: Metallisidosten ei-suuntainen luonne mahdollistaa kidesiliuosjärjestelmän jakautumisen tasaisesti kolmiulotteiseen tilaan, mikä johtaa suureen vastustuskykyyn dislokaation liikkeelle ja antaa teräspalkkeja, joissa on korkea elastinen moduuli (200 GPA).

Muovisten muodonmuutoksen säätely: Terästankojen plastisen muodonmuutosvaihe vapauttaa paikallisen jännityspitoisuuden dislokaation uudelleenjärjestelyn kautta säilyttäen joustavan moduulin stabiilisuuden.

3 、 Suorituskykyerojen tekninen merkitys

Tyypilliset lasikuituvahvistetut teräspalkit

Vetolujuus 500-900 MPa (merkittävä etu) 400-750 MPa

Joustava moduuli 40-60 GPA (1/3-2/5 teräspalkit) 200 GPA

Vikatilan hauras murtuma (ei varoitusta) kaulanmuodostusvaurio (varoitus)

Sovellettavat skenaariot: Korroosionkestävyyden, kevyt, väsymyksen vastus, plastisen muodonmuutoksen ja seismisen resistenssin korkeat vaatimukset

4 、 Päätelmä

Lasikuituvahvistuksen korkea vetolujuus johtuu lasikuitujen kovalenttisesta sidosrakenteesta ja optimoidusta kuitujärjestelystä, kun taas vähäistä elastista moduulia rajoittaa hartsimatriisin moduuli, riittämätön kuitumatriisiliitäntöjen sidoslujuus ja materiaalin brittitys. Tämä ominaisuusyhdistelmä antaa sille ainutlaatuiset edut korroosionkestävyydessä, kevyissä ja väsymyksen kestävyydessä, mutta se riippuu silti teräsvahvistuksesta rakenteissa, jotka vaativat suurta jäykkyyttä tai plastisia muodonmuutoksia. Tulevaisuudessa nano -modifioidun hartsin tai kuidun pintakäsittelytekniikan avulla sen odotetaan parantavan edelleen lasikuituvahvistuksen elastista moduulia ja laajentavan sen käyttöaluetta.