Fiberglas takviyesinin gerilme mukavemeti neden çelik takviyeden daha yüksektir, ancak elastik modül daha düşüktür? Mekanik mekanizması nedir?

Fiberglas takviyesinin gerilme mukavemeti çelik takviyesinden çok daha yüksektir, ancak elastik modülü daha düşüktür, bu da malzeme bileşimi, mikroyapı ve mekanik mekanizmadaki temel farklılıklardan kaynaklanmaktadır. Bilimsel ilkeler açısından ayrıntılı bir analiz bulunmaktadır:

1 、 Çekme gücündeki farkın çekirdek mekanizması

Fiberglas takviye: kovalent bağlar ve elyaf takviye mekanizması

Malzeme temeli: Cam elyaf takviyesi, takviye fazı olarak cam elyaftan (hacim ile% 60-% 70 oranında) yapılmıştır ve çekirdek bileşeni, kovalent bağlar yoluyla yüksek mukavemetli bir kafes oluşturan bir silika (SIO ₂) ağ yapısıdır.

Güç Kaynağı:

Cam lifinin kırılma enerjisi: Cam lifinin kırılma enerjisi, çelik çubuklardaki metal bağlarının kırık enerjisini (yaklaşık 2.5-4.0 kJ/m ²) aşan 7.0-9.5 kJ/m ² kadar yüksektir.

Fiber Düzenleme Optimizasyonu: Lifler eksenel yön boyunca düzenli bir şekilde düzenlenir ve yük, fiber yönü boyunca konsantre stres taşıyan konsantre stres elde ederek reçine matrisinden liflere verimli bir şekilde iletilir.

Veri Karşılaştırması: Fiberglas takviyesinin gerilme mukavemeti 500-900 MPa'ya ulaşabilirken, sıradan çelik takviye (HRB400) 400-600 MPa ve yüksek mukavemetli çelik takviye (HRB600) sadece 600-750 MPa'dır.

Takviye: metal bağı ve çıkık güçlendirme mekanizması

Malzeme Foundation: Çelik çubuklar, sıcak yuvarlanma veya soğuk çizim işlemleri yoluyla ferrit bir inci yapısına oluşan demir karbon alaşımından yapılmıştır. Metal bağların yönlü olmayan doğası, onları tek tip üç boyutlu yük taşıma kapasitesine sahiptir.

Güç Kaynağı:

Dislokasyon hareket direnci: karbon atomu katı çözelti güçlendirme ve petlit lamel yapısı Dislokasyon kaymasını engeller, ancak metal bağlarının kırılma enerjisi teorik mukavemet üst sınırlarını sınırlar.

Plastik deformasyonun katkısı: Çelik çubukların kırılmasında uzama% 15-25'e ulaşabilir. Plastik deformasyon aşaması sırasında enerji çıkık yayılımı yoluyla emilir, ancak bazı teorik güç kurban edilir.

2 、 Elastik modüldeki farkın çekirdek mekanizması

Fiberglas takviyesi: reçine matrisi ve arayüz etkisi

Matris Modül Sınırlaması: Reçine matrisinin elastik modülü (epoksi reçine gibi) sadece 3-5 GPa'dır, 200 GPa çelik takviyesinden çok daha düşüktür.

Arayüz bağının zayıflığı: Cam fiber ve reçine (genellikle <10 MPa) arasındaki arayüz bağlama mukavemeti, çelik çubuklardaki ferrit ve inci arasındaki bağlanma mukavemetinden çok daha düşüktür ve stres altında ayrışma veya matris çatlamasına eğilimlidir.

Kırılgan özellikler: Fiberglas takviyesinin gerilim-gerinim eğrisi, çelik çubukların sadece 1/3-2/5'i olan çelik çubuklar için bir verim platformu olmayan doğrusal kırık gösterir.

Takviye: metal bağı ve kristal kayma mekanizması

Yüksek sertlik özü: Metal bağlarının yönlü olmayan doğası, kristal kayma sisteminin üç boyutlu boşlukta eşit olarak dağılmasını sağlar, bu da çıkık hareketine yüksek dirençle ve yüksek elastik modüllü (200 GPa) çelik çubuklara sahip olmaya neden olur.

Plastik deformasyon regülasyonu: Çelik çubukların plastik deformasyon aşaması, dislokasyon yeniden düzenlemesi yoluyla lokal stres konsantrasyonunu serbest bırakarak elastik modülün stabilitesini korur.

3 、 Performans farklılıklarının mühendislik önemi

Karakteristik cam elyaf takviyeli çelik çubuklar

Çekme Mukavemeti 500-900 MPa (Önemli Avantaj) 400-750 MPa

Elastik Modül 40-60 GPA (1/3-2/5 çelik çubuklar) 200 GPa

Arıza Modu kırılgan kırılma (uyarı yok) Soykulu başarısızlık (uyarı)

Uygulanabilir senaryolar: Korozyon direnci, hafif, yorgunluk direnci, plastik deformasyon ve sismik direnç için yüksek gereksinimler

4 、 Sonuç

Cam elyaf takviyesinin yüksek gerilme mukavemeti, kovalent bağ yapısından ve cam liflerin optimize edilmiş fiber düzenlemesinden kaynaklanırken, düşük elastik modül reçine matrisinin modülü, yetersiz fiber matris arayüz bağlama mukavemeti ve malzeme kırılganlığı ile sınırlıdır. Bu özellik kombinasyonu, korozyon direnci, hafif ve yorgunluk direnci senaryolarında benzersiz avantajlar sağlar, ancak yine de yüksek sertlik veya plastik deformasyon gerektiren yapılarda çelik takviyeye dayanmaktadır. Gelecekte, nano modifiye reçine veya fiber yüzey işlem teknolojisi ile, cam elyaf takviyesinin elastik modülünü daha da artırması ve uygulama aralığını genişletmesi bekleniyor.