Mengapa kekuatan tarik penguatan fiberglass jauh lebih tinggi daripada tulangan baja, tetapi modulus elastis lebih rendah? Apa mekanisme mekanisnya?

Kekuatan tarik penguatan fiberglass jauh lebih tinggi daripada tulangan baja, tetapi modulus elastisnya lebih rendah, yang disebabkan oleh perbedaan penting dalam komposisi material, struktur mikro, dan mekanisme mekanis. Di bawah ini adalah analisis terperinci dari perspektif prinsip -prinsip ilmiah:

1 、 Mekanisme inti dari perbedaan kekuatan tarik

Penguatan Fiberglass: Ikatan Kovalen dan Mekanisme Penguatan Serat

Basis Bahan: Penguatan serat kaca terbuat dari serat kaca sebagai fase penguat (akuntansi untuk 60% -70% volume), dan komponen intinya adalah struktur jaringan silika (SiO ₂), yang membentuk kisi berkekuatan tinggi melalui ikatan kovalen.

Sumber Kekuatan:

Energi fraktur serat kaca: energi fraktur serat kaca setinggi 7,0-9,5 kJ/m ², jauh melebihi energi fraktur ikatan logam dalam batang baja (sekitar 2,5-4,0 kJ/m ²).

Optimalisasi Pengaturan Serat: Serat disusun dengan cara yang tertib di sepanjang arah aksial, dan beban secara efisien ditransmisikan ke serat melalui matriks resin, mencapai tegangan terkonsentrasi di sepanjang arah serat.

Perbandingan Data: Kekuatan tarik penguatan fiberglass dapat mencapai 500-900 MPa, sedangkan penguatan baja biasa (HRB400) adalah 400-600 MPa, dan tulangan baja berkekuatan tinggi (HRB600) hanya 600-750 MPa.

Penguatan: Ikatan logam dan mekanisme penguatan dislokasi

Foundation Material: Batang baja terbuat dari paduan karbon besi, yang dibentuk menjadi struktur pearlite ferit melalui proses penggulungan panas atau gambar dingin. Sifat non directional dari ikatan logam memberikannya dengan kapasitas penahan beban tiga dimensi yang seragam.

Sumber Kekuatan:

Resistensi Gerakan Dislokasi: Penguatan Larutan Padat Karbon dan Struktur Struktur Lamellar Pearlite Menghambat Slip Dislokasi, tetapi energi fraktur ikatan logam membatasi batas kekuatan atas teoritisnya.

Kontribusi Deformasi Plastik: Perpanjangan saat istirahat batang baja dapat mencapai 15% -25%. Selama tahap deformasi plastik, energi diserap melalui propagasi dislokasi, tetapi beberapa kekuatan teoritis dikorbankan.

2 、 Mekanisme inti dari perbedaan dalam modulus elastis

Penguatan Fiberglass: Matriks Resin dan Efek Antarmuka

Keterbatasan Modulus Matriks: Modulus elastis dari matriks resin (seperti resin epoksi) hanya 3-5 GPa, jauh lebih rendah dari 200 GPa tulangan baja.

Kelemahan ikatan antarmuka: Kekuatan ikatan antarmuka antara serat kaca dan resin (biasanya <10 MPa) jauh lebih rendah daripada kekuatan ikatan antara ferit dan pearlite dalam batang baja, dan rentan terhadap interface debonding atau retak matriks di bawah tekanan.

Karakteristik rapuh: Kurva tegangan tegangan dari penguatan fiberglass menunjukkan fraktur linier, tidak memiliki platform hasil untuk batang baja, menghasilkan modulus elastis yang jelas (40-60 IPK) yang hanya 1/3-2/5 dari batang baja.

Penguatan: Ikatan logam dan mekanisme slip kristal

Esensi kekakuan yang tinggi: Sifat non-arah dari ikatan logam memungkinkan sistem slip kristal didistribusikan secara seragam dalam ruang tiga dimensi, menghasilkan resistensi tinggi terhadap gerakan dislokasi dan menganut batang baja dengan modulus elastis tinggi (200 GPa).

Regulasi Deformasi Plastik: Tahap deformasi plastik batang baja melepaskan konsentrasi tegangan lokal melalui penataan ulang dislokasi, menjaga stabilitas modulus elastis.

3 、 Signifikansi rekayasa perbedaan kinerja

Karakteristik Kaca Batang Baja Bertulang Serat

Kekuatan Tarik 500-900 MPa (Keuntungan Segiun) 400-750 MPa

Elastic Modulus 40-60 GPa (1/3-2/5 batang baja) 200 GPa

Mode kegagalan fraktur rapuh (tidak ada peringatan) leher kegagalan ulet (peringatan)

Skenario yang berlaku: Persyaratan tinggi untuk resistensi korosi, ringan, resistensi kelelahan, deformasi plastik, dan resistensi seismik

4 、 Kesimpulan

Kekuatan tarik yang tinggi dari penguatan serat gelas disebabkan oleh struktur ikatan kovalen dan susunan serat yang dioptimalkan serat kaca, sedangkan modulus elastis rendah dibatasi oleh modulus matriks resin, kekuatan ikatan antarmuka matriks serat yang tidak memadai, dan brittleness material. Kombinasi karakteristik ini memberikan keuntungan unik dalam resistensi korosi, skenario ketahanan ringan, dan kelelahan, tetapi masih bergantung pada tulangan baja dalam struktur yang membutuhkan kekakuan tinggi atau deformasi plastik. Di masa depan, melalui resin yang dimodifikasi nano atau teknologi perawatan serat permukaan, diharapkan untuk lebih meningkatkan modulus elastis dari penguatan serat kaca dan memperluas rentang aplikasinya.