Varför är draghållfastheten hos glasfiberförstärkning mycket högre än för stålförstärkning, men den elastiska modulen är lägre? Vad är dess mekaniska mekanism?

Draghållfastheten hos glasfiberförstärkning är mycket högre än för stålförstärkning, men dess elastiska modul är lägre, vilket beror på de väsentliga skillnaderna i dess materialkomposition, mikrostruktur och mekanisk mekanism. Nedan följer en detaljerad analys ur vetenskapliga principer:

1 、 Kärnmekanismen för skillnaden i draghållfasthet

Fiberglasförstärkning: Kovalenta bindningar och fiberförstärkningsmekanism

Materialbasis: Glasfiberförstärkning är gjord av glasfiber som förstärkningsfasen (står för 60 -70% i volym), och dess kärnkomponent är en kiseldioxid (SIO ₂) nätverksstruktur, som bildar ett högstyrka gitter genom kovalent bindningar.

Styrka källa:

Glasfiberens sprickenergi: Glasfiberens sprickenergi är så hög som 7,0-9,5 kJ/m ², vilket långt överskrider sprickenergin hos metallbindningar i stålstänger (cirka 2,5-4,0 kJ/m ²).

Fiberarrangemangsoptimering: Fibrer är arrangerade på ett ordnat sätt längs den axiella riktningen, och belastningen överförs effektivt till fibrerna genom hartsmatrisen, vilket uppnår koncentrerad spänning som bär längs fiberriktningen.

Datajämförelse: Draghållfastheten hos glasfiberförstärkning kan nå 500-900 MPa, medan den för vanlig stålarmering (HRB400) är 400-600 MPa, och högstyrka stålarmering (HRB600) är endast 600-750 MPa.

Förstärkning: Metallbindning och dislokationsförstärkningsmekanism

Materialfundament: Stålstänger är gjorda av järnkollegering, som bildas till en ferritpärlitstruktur genom varma rullande eller kalla ritningsprocesser. Den icke-riktade naturen hos metallbindningar ger dem en enhetlig tredimensionell bärande kapacitet.

Styrka källa:

Dislokation Motion Resistance: Kolatomfast lösning förstärkning och pärlit lamellär struktur hindrar dislokationslip, men frakturenergin hos metallbindningar begränsar deras teoretiska styrka övre gräns.

Bidrag av plastdeformation: Förlängningen vid brytning av stålstänger kan nå 15% -25%. Under plastdeformationssteget absorberas energi genom förökning av dislokation, men någon teoretisk styrka offras.

2 、 Kärnmekanismen för skillnaden i elastisk modul

Fiberglasförstärkning: hartsmatris och gränssnittseffekt

Matrismodulbegränsning: Den elastiska modulen för hartsmatris (såsom epoxiharts) är endast 3-5 GPa, mycket lägre än 200 GPa stålförstärkning.

Svaghet i gränssnittsbindning: Gränssnittsbindningsstyrkan mellan glasfiber och harts (vanligtvis <10 MPa) är mycket lägre än bindningsstyrkan mellan ferrit och pärlit i stålstänger, och det är benäget att gränssnitt avbond eller matrissprickning under stress.

Skruta egenskaper: Stress-töjningskurvan för glasfiberförstärkning visar linjär fraktur, som saknar en utbytesplattform för stålstänger, vilket resulterar i en uppenbar elastisk modul (40-60 GPA) som bara är 1/3-2/5 av stålstänger.

Förstärkning: metallbindning och kristallslipmekanism

Essens med hög styvhet: Metallbindningens icke-riktade natur gör det möjligt att distribueras jämnt i tredimensionellt utrymme, vilket resulterar i hög resistens mot dislokationsrörelse och begåvande stålstänger med hög elastisk modul (200 GPA).

Reglering av plastisk deformation: Plastiska deformationssteget för stålstänger frigör lokal spänningskoncentration genom omarrangemang av dislokation och bibehåller stabiliteten i elastisk modul.

3 、 Den tekniska betydelsen av prestationsskillnader

Karakteristiska glasfiberförstärkta stålstänger

Draghållfasthet 500-900 MPa (betydande fördel) 400-750 MPa

Elastisk modul 40-60 GPA (1/3-2/5 stålstänger) 200 GPA

Failure Mode Brittle Fracture (ingen varning) Nacke Ductile Failure (varning)

Tillämpliga scenarier: Höga krav för korrosionsbeständighet, lätt, trötthetsmotstånd, plastisk deformation och seismisk motstånd

4 、 Slutsats

Den höga draghållfastheten hos glasfiberförstärkning beror på den kovalenta bindningsstrukturen och optimerade fiberarrangemang av glasfibrer, medan den låga elastiska modulen är begränsad av modulen för hartsmatrisen, otillräcklig fibermatrisgränssnittsbindningsstyrka och material Brittleness. Denna kombination av egenskaper ger den unika fördelar med korrosionsbeständighet, lätta och trötthetsmotståndsscenarier, men den förlitar sig fortfarande på stålförstärkning i strukturer som kräver hög styvhet eller plastisk deformation. I framtiden, genom Nano -modifierad harts- eller fiberytbehandlingsteknik, förväntas det ytterligare förbättra den elastiska modulen för glasfiberförstärkning och utöka dess applikationsintervall.