Perché la resistenza alla trazione del rinforzo in fibra di vetro è molto più alta di quella del rinforzo in acciaio, ma il modulo elastico è inferiore? Qual è il suo meccanismo meccanico?

La resistenza alla trazione del rinforzo in fibra di vetro è molto più elevata di quella del rinforzo in acciaio, ma il suo modulo elastico è inferiore, il che è dovuto alle differenze essenziali nella sua composizione del materiale, microstruttura e meccanismo meccanico. Di seguito è riportata un'analisi dettagliata dal punto di vista dei principi scientifici:

1 、 Il meccanismo fondamentale della differenza nella resistenza alla trazione

Rinforzo in fibra di vetro: legami covalenti e meccanismo di rinforzo in fibra

Base di materiale: il rinforzo in fibra di vetro è realizzato in fibra di vetro come fase di rinforzo (che spiega il 60% -70% in volume) e il suo componente centrale è una struttura di rete di silice (SIO ₂), che forma un reticolo ad alta resistenza attraverso legami covalenti.

Fonte di forza:

L'energia della frattura della fibra di vetro: l'energia della frattura della fibra di vetro è alta fino a 7,0-9,5 kJ/m ², superando di gran lunga l'energia della frattura dei legami metallici nelle barre di acciaio (circa 2,5-4,0 kJ/m ²).

Ottimizzazione della disposizione delle fibre: le fibre sono disposte in modo ordinato lungo la direzione assiale e il carico viene trasmesso in modo efficiente alle fibre attraverso la matrice di resina, raggiungendo il cuscinetto a stress concentrato lungo la direzione della fibra.

Confronto dei dati: la resistenza alla trazione del rinforzo in fibra di vetro può raggiungere 500-900 MPa, mentre quella del normale rinforzo in acciaio (HRB400) è di 400-600 MPa e il rinforzo in acciaio ad alta resistenza (HRB600) è solo 600-750 MPA.

Rinforzo: meccanismo di rafforzamento del legame metallico e dislocazione

Fondazione del materiale: le barre di acciaio sono realizzate in lega di carbonio di ferro, che si forma in una struttura di peperone di ferrite attraverso i processi di rotolamento a caldo o di disegno a freddo. La natura non direzionale dei legami metallici li conduce con una capacità di carico tridimensionale uniforme.

Fonte di forza:

Resistenza al movimento di dislocazione: il rafforzamento della soluzione solida dell'atomo di carbonio e la struttura lamellare per la perle ostacolano lo slittamento di dislocazione, ma l'energia della frattura dei legami metallici limita il limite superiore della resistenza teorica.

Contributo della deformazione plastica: l'allungamento a rottura delle barre di acciaio può raggiungere il 15% -25%. Durante la fase di deformazione plastica, l'energia viene assorbita attraverso la propagazione della dislocazione, ma viene sacrificata una certa resistenza teorica.

2 、 Il meccanismo centrale della differenza nel modulo elastico

Rinforzo in fibra di vetro: matrice di resina ed effetto interfaccia

Limitazione del modulo della matrice: il modulo elastico della matrice di resina (come la resina epossidica) è solo 3-5 GPa, molto più basso del 200 GPa di rinforzo in acciaio.

Debolezza del legame dell'interfaccia: la forza di legame dell'interfaccia tra fibra di vetro e resina (di solito <10 MPa) è molto più bassa della forza di legame tra ferrite e perle nelle barre di acciaio ed è soggetta a debonding interfaccia o crack di matrice sotto stress.

Caratteristiche fragili: la curva a deformazione dello stress del rinforzo in fibra di vetro mostra frattura lineare, priva di una piattaforma di resa per barre d'acciaio, risultando in un evidente modulo elastico (40-60 GPa) che è solo 1/3-2/5 di quello delle barre d'acciaio.

Rinforzo: meccanismo di slittamento in metallo e cristallo

Essenza ad alta rigidità: la natura non direzionale dei legami metallici consente al sistema di slittamento del cristallo di essere distribuito uniformemente nello spazio tridimensionale, con conseguente elevata resistenza al movimento di dislocazione e alle barre di acciaio dotato di modulo elastico elevato (200 GPa).

Regolamento sulla deformazione plastica: la fase di deformazione plastica delle barre di acciaio rilascia la concentrazione di stress locale attraverso il riarrangiamento della dislocazione, mantenendo la stabilità del modulo elastico.

3 、 Il significato ingegneristico delle differenze di prestazione

Caratteristiche barre in acciaio rinforzate in fibra di vetro

Resistenza alla trazione 500-900 MPa (vantaggio significativo) 400-750 MPa

Modulo elastico 40-60 GPa (1/3-2/5 barre di acciaio) 200 GPA

Modalità di guasto Frattura fragile (nessun avviso) Necking Ductile Errove (ATTENZIONE)

Scenari applicabili: elevati requisiti per la resistenza alla corrosione, leggera, resistenza alla fatica, deformazione plastica e resistenza sismica

4 、 Conclusione

L'elevata resistenza alla trazione del rinforzo in fibra di vetro è dovuta alla struttura del legame covalente e alla disposizione ottimizzata delle fibre delle fibre di vetro, mentre il modulo a basso elastico è limitato dal modulo della matrice di resina, insufficiente forza di legame dell'interfaccia in fibra di fibra. Questa combinazione di caratteristiche gli conferisce vantaggi unici nei scenari di resistenza alla corrosione, leggero e resistenza alla fatica, ma si basa comunque sul rinforzo in acciaio nelle strutture che richiedono un'elevata rigidità o deformazione plastica. In futuro, attraverso la tecnologia di trattamento della resina o della superficie della fibra modificata nano, si prevede che migliora ulteriormente il modulo elastico del rinforzo in fibra di vetro ed espanderà la sua gamma di applicazioni.