Dlaczego wytrzymałość na rozciąganie włókna szklanego wzmacnia jest znacznie wyższa niż wytrzymałość na zbrojenie stali, ale moduł sprężysty jest niższy? Jaki jest jego mechanizm mechaniczny?

Wytrzymałość na rozciąganie wzmocnienia włókna szklanego jest znacznie wyższa niż w przypadku wzmocnienia stali, ale jego moduł sprężysty jest niższy, co jest spowodowane istotnymi różnicami w jego składzie materiału, mikrostruktury i mechanizmu mechanicznym. Poniżej znajduje się szczegółowa analiza z perspektywy zasad naukowych:

1 、 Podstawowy mechanizm różnicy wytrzymałości na rozciąganie

Wzmocnienie włókna szklanego: wiązania kowalencyjne i mechanizm wzmacniający włókno

Podstawa materiału: Wzmocnienie włókna szklanego jest wykonane z włókna szklanego jako fazę zbrojenia (odpowiadającą za 60–70% objętości), a jego podstawowym składnikiem jest struktura sieciowa (SiO ₂), która tworzy sieć o wysokiej wytrzymałości przez wiązania kowalencyjne.

Źródło siły:

Energia złamania włókna szklanego: energia złamania włókna szklanego wynosi nawet 7,0-9,5 kJ/m ², znacznie przekraczając energię pękania wiązań metalowych w prętach stalowych (około 2,5-4,0 kJ/m ²).

Optymalizacja układu włókien: Włókna są ułożone w uporządkowany sposób wzdłuż kierunku osiowego, a obciążenie jest skutecznie przenoszone do włókien przez matrycę żywicy, osiągając stężone łożysko naprężenia wzdłuż kierunku włókien.

Porównanie danych: Wytrzymałość na rozciąganie zbrojenia z włókna szklanego może osiągnąć 500-900 MPa, podczas gdy zwykłe wzmocnienie stali (HRB400) wynosi 400-600 MPa, a wzmocnienie stali o dużej wytrzymałości (HRB600) wynosi tylko 600-750 MPa.

Wzmocnienie: mechanizm wzmacniania wiązania metalu i zwichnięcia

Materiał podkład: stalowe pręty są wykonane ze stopu żelaza, który jest uformowany w strukturę perlitów ferrytowych poprzez procesy walcowania gorącego lub zimnego rysunku. Niezamieski wiązań metalowych wypowiada je o jednolitej trójwymiarowej pojemności obciążenia.

Źródło siły:

Odporność na ruch ruchu: Roztwór stałego atomu węgla i wzmacnianie roztworu płodowego i płótna struktura blaszka utrudnia zrzuty, ale energia złamania wiązań metalowych ogranicza ich górną granicę wytrzymałości teoretycznej.

Wkład deformacji tworzyw sztucznych: wydłużenie przy przerwie stalowych prętów może osiągnąć 15% -25%. Podczas etapu deformacji plastiku energia jest pochłaniana przez propagację zwichnięcia, ale poświęca się pewną siłę teoretyczną.

2 、 Podstawowy mechanizm różnicy w module sprężystym

Wzmocnienie włókna szklanego: macierz żywicy i efekt interfejsu

Ograniczenie modułu macierzy: moduł sprężystości macierzy żywicy (taki jak żywica epoksydowa) wynosi tylko 3-5 GPa, znacznie niższy niż 200 GPa zbrojenia stalowego.

Słabość wiązania interfejsu: Siła wiązania interfejsu między włóknem szklanym a żywicą (zwykle <10 MPa) jest znacznie niższa niż siła wiązania między ferrytem i perlitem w prętach stalowych i jest podatna na interfejs odszkodziny lub pękanie matrycy pod naprężeniem.

Charakterystyka krucha: Krzywa naprężenia-odkształcenia wzmacniająca włókno szklanego pokazuje pękanie liniowe, pozbawione platformy wydajności dla stalowych prętów, co skutkuje pozornym modułem sprężystym (40-60 GPa), która wynosi tylko 1/3-2/5 z prętów stalowych.

Wzmocnienie: mechanizm wiązania metalu i kryształów

Esencja o wysokiej sztywności: Niezierający charakter wiązań metalowych umożliwia równomierne rozkładanie układu poślizgu kryształowego w przestrzeni trójwymiarowej, co powoduje wysoką odporność na ruch zwichnięcia i wyposażające stalowe pręty z wysokim modułem sprężystym (200 GPa).

Regulacja deformacji plastiku: Etap deformacji plastiku stalowych prętów uwalnia lokalne stężenie naprężeń poprzez przegrupowanie zwichnięcia, utrzymując stabilność modułu sprężystego.

3 、 INŻYNIERYKI INŻYNIENIE Różnice w wydajności

Charakterystyczne stalowe pręty wzmocnione włóknem szklanym

Wytrzymałość na rozciąganie 500-900 MPa (znacząca przewaga) 400-750 MPa

Moduł sprężysty 40-60 GPA (stalowe pręty 1/3-2/5) 200 GPa

Tryb awarii kruche złamanie (bez ostrzeżenia) przewracająca awaria plastyczna (ostrzeżenie)

Obowiązujące scenariusze: Wysokie wymagania dotyczące odporności na korozję, lekką, odporność na zmęczenie, deformacja plastyczna i odporność sejsmiczna

4 、 Wniosek

Wysoka wytrzymałość na rozciąganie wzmocnienia włókien szklanych wynika z kowalencyjnej struktury wiązania i zoptymalizowanego układu włókien włókien szklanych, podczas gdy niski moduł sprężystości jest ograniczony modułem macierzy żywicy, niewystarczającą wytrzymałość wiązania interfejsu między matrycą włóknistą i britchena. Ta kombinacja cech daje mu unikalne zalety w oporności na korozję, lekkie i odporności na zmęczenie, ale nadal opiera się na wzmocnieniu stali w strukturach, które wymagają wysokiej sztywności lub deformacji tworzywa sztucznego. W przyszłości, poprzez technologię oczyszczania żywicy nano lub obróbki powierzchni światłowodowej, oczekuje się, że jeszcze bardziej zwiększy moduł sprężystości wzmocnienia włókien szklanych i rozszerzy swój zakres aplikacji.