Miért sokkal magasabb az üvegszálas megerősítés szakítószilárdsága, mint az acél megerősítése, de az elasztikus modulus alacsonyabb? Mi a mechanikus mechanizmusa?

Az üvegszálas megerősítés szakítószilárdsága sokkal magasabb, mint az acél megerősítése, de elasztikus modulusa alacsonyabb, ami az anyag összetételének, a mikroszerkezet és a mechanikai mechanizmus alapvető különbségeinek köszönhető. Az alábbiakban egy részletes elemzés a tudományos alapelvek szempontjából:

1 、 A szakítószilárdság különbségének alapmechanizmusa

Üvegszálas megerősítés: kovalens kötések és rost -megerősítő mechanizmus

Anyag alap: Az üvegszál megerősítése üvegszálból készül, mint megerősítő fázis (60% -70% -os mennyiségű), és alapkomponense egy szilícium -dioxid (SIO ₂) hálózati struktúrát, amely kovalens kötések révén nagy szilárdságú rácsot képez.

Erőforrás:

Az üvegszál törési energiája: Az üvegszál törési energiája akár 7,0-9,5 kJ/m ²-es számú, messze meghaladja az acélrudakban lévő fémkötések törési energiáját (kb. 2,5-4,0 kJ/m ²).

Rost elrendezés optimalizálása: A szálakat rendezett módon elrendezik a tengelyirányú irány mentén, és a terhelést hatékonyan továbbítják a szálakhoz a gyanta mátrixon keresztül, és koncentrált feszültségcsapágyat érnek el a rost irányában.

Adatok összehasonlítása: Az üvegszálas megerősítés szakítószilárdsága elérheti az 500-900 MPa-t, míg a szokásos acél megerősítés (HRB400) 400-600 MPa, és a nagy szilárdságú acélvonás (HRB600) csak 600-750 MPa.

Megerősítés: fémkötés és diszlokáció megerősítő mechanizmus

Anyag Alapítvány: Az acélrudak vas -szén ötvözetből készülnek, amelyet forró gördülő vagy hideg rajzolási folyamatok révén ferrite gyöngyszerkezetből alakítanak ki. A fémkötések nem irányított jellege egyenletes háromdimenziós terhelési képességgel rendelkezik.

Erőforrás:

Diszlokációs mozgásállóság: A szénatom szilárd oldat erősítése és a gyöngyház lamelláris szerkezete akadályozza a diszlokációs csúszást, de a fémkötések törési energiája korlátozza az elméleti szilárdság felső határát.

A plasztikus deformáció hozzájárulása: Az acélrudak szünetében meghosszabbítás elérheti a 15% -25% -ot. A műanyag deformációs szakaszban az energiát a diszlokációs terjedés révén abszorbeálják, de néhány elméleti erőt feláldoznak.

2 、 Az elasztikus modulus különbségének alapmechanizmusa

Üvegszálas megerősítés: gyanta mátrix és interfészhatás

Mátrix modulus korlátozása: A gyanta mátrix elasztikus modulusa (például epoxi-gyanták) csak 3-5 GPa, jóval alacsonyabb, mint a 200 GPa acél megerősítésének.

Az interfészkötés gyengesége: Az üvegszál és a gyanta (általában <10 MPa) közötti interfészkötési szilárdság sokkal alacsonyabb, mint a ferrit és a gyeplit közötti kötési szilárdság az acélrudakban, és hajlamos a stressz alatti bebontás vagy a mátrix repedésére.

Törékeny tulajdonságok: Az üvegszálas megerősítés feszültség-feszültség-görbéje lineáris törést mutat, és nincs az acélrudakhoz tartozó hozamplatform, amely látszólagos elasztikus modulust (40-60 GPa) eredményez, amely az acélrudak közül csak 1/3-2/5.

Megerősítés: fémkötés és kristály csúszási mechanizmus

Magas merevség-esszencia: A fémkötések nem irányított jellege lehetővé teszi a kristálycsúszdarendszer egyenletes eloszlását háromdimenziós térben, ami nagy ellenállást eredményez a diszlokációs mozgással és a nagy elasztikus modulussal rendelkező acélrudakkal (200 GPa).

Plasztikus deformációs szabályozás: Az acélrudak plasztikus deformációs stádiuma felszabadítja a helyi stresszkoncentrációt a diszlokáció átrendeződése révén, megőrizve az elasztikus modulus stabilitását.

3 、 A teljesítménybeli különbségek mérnöki jelentősége

Jellemző üvegszál megerősített acélrudak

Szakítószilárdság 500-900 MPa (jelentős előny) 400-750 MPa

Elasztikus modulus 40-60 GPa (1/3-2/5 acélrudak) 200 GPa

Hiba üzemmód törékeny törés (figyelmeztetés nélkül) nyaki csillapító hiba (figyelmeztetés)

Alkalmazható forgatókönyvek: Magas követelmények a korrózióállóság, a könnyű, fáradtság -ellenállás, a műanyag deformáció és a szeizmikus ellenálláshoz

4 、 Következtetés

Az üvegszál megerősítésének magas szakítószilárdsága a kovalens kötés szerkezetének és az üvegszálak optimalizált szál elrendezésének köszönhető, míg az alacsony elasztikus modulust a gyanta mátrix modulusa, a nem elegendő szálmátrix interfész kötési szilárdsága korlátozza. Ez a jellemzők kombinációja egyedi előnyöket biztosít a korrózióállóság, a könnyű és fáradtság -ellenállás forgatókönyveiben, de továbbra is az acél megerősítésére támaszkodik olyan szerkezetekben, amelyek nagy merevséget vagy plasztikus deformációt igényelnek. A jövőben a Nano módosított gyanta vagy a szál felszíni kezelési technológiáján keresztül várhatóan tovább javítja az üvegszál megerősítésének elasztikus modulusát és kibővíti alkalmazási tartományát.