Почему прочность на растяжение укрепления из стекловолокна намного выше, чем у стальной арматуры, но модуль упругости ниже? Каков его механический механизм?

Прочность на растяжение армирования из стекловолокна намного выше, чем у стальной арматуры, но его упругой модуль ниже, что связано с существенными различиями в его составе материала, микроструктуре и механическом механизме. Ниже приведен подробный анализ с точки зрения научных принципов:

1 、 Основной механизм разницы в прочности растягивания

Усиление из стекловолокна: ковалентные связи и механизм усиления волокна

Материальная основа. Усиление стеклянного волокна изготовлена ​​из стекловолокна в качестве фазы армирования (составляющая 60% -70% по объему), а его основной компонент представляет собой сетевую структуру кремнезема (SIO ₂), которая образует высокопрочную решетку через ковалентные связи.

Источник силы:

Энергия разрушения стеклянного волокна: энергия перелома стеклянного волокна достигает 7,0-9,5 кДж/м ², что намного превышает энергию перелома металлических связей в стальных стержнях (около 2,5-4,0 кДж/м ²).

Оптимизация расположения волокна: волокна расположены упорядоченным образом вдоль осевого направления, и нагрузка эффективно передается в волокна через матрицу смолы, достигая концентрированного напряжения вдоль направления волокна.

Сравнение данных: прочность на растяжение армирования из стекловолокна может достигать 500-900 МПа, в то время как у обычного стального армирования (HRB400) составляет 400-600 МПа, а высокопрочное усиление стали (HRB600) составляет всего 600-750 МПа.

Усиление: металлическая связь и механизм усиления дислокации

Материал: Стальные стержни изготовлены из железного углеродного сплава, который образуется в ферритовую перлит -структуру с помощью горячего прокатного или холодного рисования. Не направленная природа металлических связей наделяет им равномерной трехмерной нагрузкой.

Источник силы:

Устойчивость к движению дислокации: укрепление твердого раствора углерода и укрепление пластинки из пермита препятствует дислокационному скольжению, но энергия перелома металлических связей ограничивает их верхний предел их теоретической прочности.

Вклад пластической деформации: удлинение при разрыве стальных стержней может достигать 15% -25%. На стадии пластической деформации энергия поглощается посредством распространения дислокации, но некоторая теоретическая сила приносится в жертву.

2 、 Основной механизм разницы в модуле упругости

Усиление из стекловолокна: матрица смолы и эффект интерфейса

Ограничение модуля матрицы: модуль упругости матрицы смолы (такой как эпоксидная смола) составляет всего 3-5 ГПа, намного ниже, чем 200 ГПа армирования стали.

Слабость связывания раздела: прочность на соединение между стеклянным волокном и смолой (обычно <10 МПа) намного ниже, чем прочность склеивания между ферритом и жемчужным в стальных стержнях, и она подвержена разделам раздела или матриц.

Хрупкие характеристики: кривая напряжения деформации укрепления стекловолокна показывает линейный перелом, отсутствующий доходную платформу для стальных стержней, что приводит к кажущемуся модулю упругости (40-60 ГПа), которая составляет только 1/3-2/5 из стальных стержней.

Усиление: металлическая связь и механизм проскальзывания кристаллов

Высокая сущность жесткости: не направленная природа металлических связей позволяет системе кристаллического скольжения равномерно распределяться в трехмерном пространстве, что приводит к высокой устойчивости к движению дислокации и прикреплению стальных стержней высоким модулем упругости (200 ГПа).

Регуляция пластической деформации: стадия пластической деформации стальных стержней высвобождает локальную концентрацию напряжения посредством перестройки дислокации, поддерживая стабильность модуля упругости.

3 、 Инженерная значимость различий в производительности

Характерные стальные прутья из стекловолокна

Прочность на растяжение 500-900 МПа (значительное преимущество) 400-750 МПа

Эластичный модуль 40-60 ГПа (1/3-2/5 стальные батончики) 200 ГПа

Режим сбоя хрупкий перелом (без предупреждения).

Применимые сценарии: Высокие требования к коррозионной стойкости, легкой устойчивости, устойчивости к усталости, пластической деформации и сейсмической стойкости

4 、 Заключение

Высокая прочность на растяжение армирования стеклянного волокна обусловлена ​​ковалентной структурой связи и оптимизированным расположением волокна стеклянных волокон, в то время как низкий модуль упругости ограничен модулем матрицы смолы, недостаточной интерфейсной силой матрицы волокна и материальной численностью. Эта комбинация характеристик дает ему уникальные преимущества в сценариях коррозионной устойчивости, легкой и усталости, но она все еще опирается на усиление стали в конструкциях, которые требуют высокой жесткости или пластической деформации. В будущем, благодаря нано -модифицированной смоле или технологии обработки поверхности волокна, ожидается, что она еще больше усилит модуль упругого усиления стекловолокна и расширит диапазон применения.