เหตุใดความต้านทานแรงดึงของการเสริมแรงไฟเบอร์กลาสจึงสูงกว่าการเสริมแรงเหล็ก แต่โมดูลัสยืดหยุ่นต่ำกว่า? กลไกทางกลของมันคืออะไร?

ความต้านทานแรงดึงของการเสริมแรงไฟเบอร์กลาสนั้นสูงกว่าการเสริมแรงของเหล็กมาก แต่โมดูลัสยืดหยุ่นนั้นต่ำกว่าซึ่งเกิดจากความแตกต่างที่สำคัญในองค์ประกอบของวัสดุโครงสร้างจุลภาคและกลไกเชิงกล ด้านล่างคือการวิเคราะห์โดยละเอียดจากมุมมองของหลักการทางวิทยาศาสตร์:

1、 กลไกหลักของความแตกต่างในความต้านทานแรงดึง

การเสริมแรงไฟเบอร์กลาส: พันธะโควาเลนต์และกลไกการเสริมแรงไฟเบอร์

พื้นฐานวัสดุ: การเสริมแรงของเส้นใยแก้วทำจากเส้นใยแก้วเป็นเฟสเสริมแรง (คิดเป็น 60% -70% โดยปริมาตร) และส่วนประกอบหลักของมันคือโครงสร้างเครือข่ายซิลิกา (SIO ₂) ซึ่งเป็นโครงสร้างเครือข่ายที่มีความแข็งแรงสูงผ่านพันธะโควาเลนต์

แหล่งความแข็งแรง:

พลังงานการแตกหักของเส้นใยแก้ว: พลังงานการแตกหักของเส้นใยแก้วสูงถึง 7.0-9.5 kJ/m ²ไกลเกินกว่าพลังงานการแตกหักของพันธะโลหะในแท่งเหล็ก (ประมาณ 2.5-4.0 kJ/m ²)

การเพิ่มประสิทธิภาพการจัดเรียงของเส้นใย: เส้นใยถูกจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบไปตามทิศทางตามแนวแกนและโหลดจะส่งไปยังเส้นใยอย่างมีประสิทธิภาพผ่านเมทริกซ์เรซินทำให้เกิดความเครียดที่เข้มข้นตามทิศทางของเส้นใย

การเปรียบเทียบข้อมูล: ความต้านทานแรงดึงของการเสริมแรงไฟเบอร์กลาสสามารถเข้าถึง 500-900 MPa ในขณะที่การเสริมแรงเหล็กธรรมดา (HRB400) คือ 400-600 MPa และการเสริมแรงเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง (HRB600) มีเพียง 600-750 MPa

การเสริมแรง: พันธะโลหะและกลไกการเสริมสร้างความคลาดเคลื่อน

มูลนิธิวัสดุ: แท่งเหล็กทำจากโลหะผสมคาร์บอนเหล็กซึ่งเกิดขึ้นเป็นโครงสร้างของไข่มุกเฟอร์ไรต์ผ่านการกลิ้งร้อนหรือกระบวนการวาดภาพเย็น ลักษณะที่ไม่ใช่ทิศทางของพันธะโลหะทำให้พวกเขามีความสามารถในการรับน้ำหนักสามมิติที่สม่ำเสมอ

แหล่งความแข็งแรง:

ความต้านทานการเคลื่อนที่แบบคลาดเคลื่อน: คาร์บอนอะตอมของแข็งการแก้ปัญหาการเสริมความแข็งแรงและโครงสร้าง lamellar ไข่มุกขัดขวางสลิปการเคลื่อนที่ของความคลาดเคลื่อน แต่พลังงานการแตกหักของพันธะโลหะ จำกัด ขีด จำกัด บนความแข็งแรงทางทฤษฎีของพวกเขา

การมีส่วนร่วมของการเสียรูปของพลาสติก: การยืดตัวที่แท่งเหล็กสามารถถึง 15% -25% ในช่วงระยะการเปลี่ยนรูปพลาสติกพลังงานจะถูกดูดซึมผ่านการแพร่กระจายของความคลาดเคลื่อน แต่ความแข็งแรงทางทฤษฎีบางอย่างจะเสียสละ

2、 กลไกหลักของความแตกต่างในโมดูลัสยืดหยุ่น

การเสริมแรงไฟเบอร์กลาส: เมทริกซ์เรซิ่นและเอฟเฟกต์อินเตอร์เฟส

ข้อ จำกัด Matrix Modulus: โมดูลัสยืดหยุ่นของเมทริกซ์เรซิน (เช่นอีพอกซีเรซิน) มีเพียง 3-5 เกรดเฉลี่ยต่ำกว่าการเสริมแรงเหล็ก 200 GPa

ความอ่อนแอของการเชื่อมต่ออินเทอร์เฟซ: ความแข็งแรงของพันธะอินเตอร์เฟสระหว่างเส้นใยแก้วและเรซิน (โดยปกติ <10 MPa) ต่ำกว่าความแข็งแรงของพันธะระหว่างเฟอร์ไรต์และไข่มุกในแถบเหล็กและมีแนวโน้มที่จะเชื่อมต่อ debonding หรือการแคร็กเมทริกซ์ภายใต้ความเครียด

ลักษณะที่เปราะบาง: เส้นโค้งความเครียด-ความเครียดของการเสริมแรงไฟเบอร์กลาสแสดงการแตกหักเชิงเส้นโดยไม่มีแพลตฟอร์มผลผลิตสำหรับแท่งเหล็กส่งผลให้โมดูลัสยืดหยุ่น (40-60 GPa) ที่มีเพียง 1/3-2/5 ของแท่งเหล็ก

การเสริมแรง: พันธะโลหะและกลไกสลิปคริสตัล

Essence ความแข็งแกร่งสูง: ธรรมชาติที่ไม่ใช่ทิศทางของพันธะโลหะช่วยให้ระบบสลิปคริสตัลสามารถกระจายอย่างสม่ำเสมอในพื้นที่สามมิติส่งผลให้มีความต้านทานสูงต่อการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่และแท่งเหล็กที่มีโมดูลัสยืดหยุ่นสูง (200 GPa)

การควบคุมการเสียรูปของพลาสติก: ระยะการเปลี่ยนรูปพลาสติกของเหล็กแท่งปล่อยความเข้มข้นของความเครียดในท้องถิ่นผ่านการจัดเรียงการเคลื่อนที่ใหม่รักษาเสถียรภาพของโมดูลัสยืดหยุ่น

3、 ความสำคัญทางวิศวกรรมของความแตกต่างด้านประสิทธิภาพ

แท่งเหล็กเสริมใยแก้ว

แรงดึง 500-900 MPa (ข้อได้เปรียบที่สำคัญ) 400-750 MPa

โมดูลัสยืดหยุ่น 40-60 GPA (1/3-2/5 แท่งเหล็ก) 200 GPA

โหมดความล้มเหลวแตกหักเปราะ (ไม่มีการเตือน) การกระแทกความล้มเหลวของจมูก (คำเตือน)

สถานการณ์ที่ใช้บังคับได้: ความต้องการสูงสำหรับความต้านทานการกัดกร่อน, น้ำหนักเบา, ความต้านทานความเหนื่อยล้า, การเปลี่ยนรูปแบบพลาสติกและความต้านทานแผ่นดินไหว

4、 บทสรุป

ความต้านทานแรงดึงสูงของการเสริมแรงของเส้นใยแก้วเกิดจากโครงสร้างพันธะโควาเลนต์และการจัดเรียงเส้นใยที่ดีที่สุดของเส้นใยแก้วในขณะที่โมดูลัสยืดหยุ่นต่ำถูก จำกัด โดยโมดูลัสของเมทริกซ์เรซิน การรวมกันของคุณลักษณะนี้ให้ข้อได้เปรียบที่เป็นเอกลักษณ์ในการต้านทานการกัดกร่อนสถานการณ์ความต้านทานต่อความเหนื่อยล้าและความล้า แต่ก็ยังต้องอาศัยการเสริมแรงของเหล็กในโครงสร้างที่ต้องใช้ความแข็งแกร่งสูงหรือการเสียรูปพลาสติก ในอนาคตผ่าน Nano Modified Resin หรือเทคโนโลยีการบำบัดพื้นผิวของเส้นใยคาดว่าจะเพิ่มโมดูลัสยืดหยุ่นของการเสริมแรงของเส้นใยแก้วและขยายช่วงการใช้งาน