Por que a resistência à tração do reforço de fibra de vidro é muito maior que a do reforço de aço, mas o módulo elástico é mais baixo? Qual é o seu mecanismo mecânico?

A resistência à tração do reforço de fibra de vidro é muito maior que a do reforço do aço, mas seu módulo de elástico é menor, devido às diferenças essenciais em sua composição do material, microestrutura e mecanismo mecânico. Abaixo está uma análise detalhada da perspectiva dos princípios científicos:

1 、 O mecanismo central da diferença na resistência à tração

Reforço de fibra de vidro: ligações covalentes e mecanismo de reforço de fibra

Base material: O reforço da fibra de vidro é feito de fibra de vidro como fase de reforço (representando 60% a 70% em volume), e seu componente principal é uma estrutura de rede de sílica (SiO ₂), que forma uma rede de alta resistência através de ligações covalentes.

Fonte de força:

A energia de fratura da fibra de vidro: a energia de fratura da fibra de vidro é tão alta quanto 7,0 a 9,5 kJ/m ², excedendo em muito a energia de fratura das ligações metálicas em barras de aço (cerca de 2,5-4,0 kJ/m ²).

Otimização do arranjo da fibra: as fibras são organizadas de maneira ordenada ao longo da direção axial, e a carga é transmitida eficientemente às fibras através da matriz de resina, atingindo a tensão concentrada no direção da direção da fibra.

Comparação de dados: A resistência à tração do reforço de fibra de vidro pode atingir 500-900 MPa, enquanto o reforço de aço comum (HRB400) é de 400-600 MPa e o reforço de aço de alta resistência (HRB600) é de apenas 600-750 MPa.

Reforço: ligação de metal e mecanismo de fortalecimento de deslocamento

Fundação do material: as barras de aço são feitas de liga de carbono de ferro, que é formada em uma estrutura de pérolas de ferrita através de processos de rolagem a quente ou desenho frio. A natureza não direcional das ligações metálicas as dona com capacidade uniforme de carga tridimensional de carga.

Fonte de força:

Resistência ao movimento da deslocamento: o fortalecimento da solução sólida do átomo de carbono e a estrutura lamelar de pérolas impedem a luxação, mas a energia de fratura das ligações metálicas limita seu limite superior de força teórica.

Contribuição da deformação plástica: o alongamento nas barras de aço pode atingir 15% a 25%. Durante o estágio de deformação plástica, a energia é absorvida por propagação de deslocamento, mas alguma força teórica é sacrificada.

2 、 O mecanismo central da diferença no módulo elástico

Reforço de fibra de vidro: matriz de resina e efeito de interface

Limitação do módulo da matriz: O módulo elástico da matriz de resina (como resina epóxi) é de apenas 3-5 GPa, muito menor que o 200 GPa de reforço de aço.

Fraqueza da ligação da interface: A força de ligação da interface entre fibra de vidro e resina (geralmente <10 MPa) é muito menor que a força de ligação entre a ferrita e a pérola em barras de aço, e é propenso a interface descascar ou rachaduras da matriz sob estresse.

Características quebradiças: A curva de tensão-deformação do reforço de fibra de vidro mostra fraturas lineares, sem uma plataforma de rendimento para barras de aço, resultando em um módulo elástico aparente (40-60 GPa) que é apenas 1/3-2/5 das barras de aço.

Reforço: ligação de metal e mecanismo de deslizamento de cristal

Essência de alta rigidez: A natureza não direcional das ligações metálicas permite que o sistema de deslizamento de cristal seja distribuído uniformemente no espaço tridimensional, resultando em alta resistência ao movimento da luxação e dotando barras de aço com alto módulo elástico (200 GPa).

Regulação de deformação plástica: O estágio de deformação plástica das barras de aço libera a concentração de tensão local através do rearranjo de deslocamento, mantendo a estabilidade do módulo elástico.

3 、 O significado da engenharia das diferenças de desempenho

Barras de aço reforçadas com fibra de vidro características

Resistência à tração 500-900 MPa (vantagem significativa) 400-750 MPA

Módulo elástico 40-60 GPa (barras de aço 1/3-2/5) 200 GPa

Modo de falha Fratura quebradiça (sem aviso) Falha dúctil de necking (aviso)

Cenários aplicáveis: altos requisitos para resistência à corrosão, leve, resistência à fadiga, deformação plástica e resistência sísmica

4 、 Conclusão

A alta resistência à tração do reforço da fibra de vidro se deve à estrutura de ligação covalente e ao arranjo de fibras de vidro otimizado, enquanto o módulo elástico baixo é limitado pelo módulo da matriz de resina, insuficiente da intempérie da matriz de fibra e brittless. Essa combinação de características oferece vantagens únicas nos cenários de resistência à corrosão, leve e fadiga, mas ainda depende do reforço de aço em estruturas que requerem alta rigidez ou deformação plástica. No futuro, através da tecnologia de tratamento de resina ou superfície de fibra nano modificada, espera -se que ele aprimore ainda mais o módulo elástico do reforço de fibra de vidro e expanda sua faixa de aplicação.