Чому міцність на розрив арматури склопластику набагато вище, ніж у сталевого арматури, але модуль пружності нижчий? Який його механічний механізм?

Міцність на розрив арматури склопластику значно вища, ніж у арматури сталі, але його еластичний модуль нижчий, що обумовлений суттєвими відмінностями в його складі матеріалу, мікроструктурі та механічному механізму. Нижче наведено детальний аналіз з точки зору наукових принципів:

1 、 Основний механізм різниці в міцності на розрив

Підсилення склопластику: ковалентні зв’язки та механізм армування клітковини

Матеріальна основа: арматура скляного волокна виготовлена ​​зі скляного волокна як арматурна фаза (припадає на 60% -70% за обсягом), а його основним компонентом є структура мережі кремнію (SiO ₂), яка утворює решітку з високою міцністю через ковалентні зв’язки.

Джерело сили:

Енергія руйнування скляного волокна: енергія руйнування скляного волокна становить 7,0-9,5 кДж/м ², що значно перевищує енергію руйнування металевих зв’язків у сталевих брусах (приблизно 2,5-4,0 кДж/м ²).

Оптимізація композиції волокон: волокна розташовані впорядковано по осьовому напрямку, а навантаження ефективно передається в волокна через матрицю смоли, досягаючи концентрованого напруги, що несе уздовж напрямку волокна.

Порівняння даних: Міцність на розрив арматури склопластику може досягти 500-900 МПа, тоді як звичайна арматура сталі (HRB400)-400-600 МПа, а високоміцна арматура (HRB600)-лише 600-750 МПа.

Арматура: металевий зв’язок та механізм зміцнення дислокації

Матеріальний фундамент: сталеві бруски виготовлені з вуглецевого сплаву заліза, який утворюється в структуру перліту фериту за допомогою процесів гарячого кочення або холодного малювання. Неоцільний характер металевих зв’язків наділяє їх рівномірною тривимірною вантажопідйомністю.

Джерело сили:

Опірування руху дислокації: зміцнення атома атома вуглецю та перлітна пластинчаста структура перешкоджає ковзанню дислокації, але енергія руйнування металевих зв’язків обмежує їх теоретичну силу верхню межу.

Внесок пластичної деформації: подовження при розриві сталевих брусків може досягати 15% -25%. Під час стадії пластичної деформації енергія поглинається шляхом розповсюдження дислокації, але деяка теоретична сила приносить жертву.

2 、 Основний механізм різниці модуля пружності

Підсилення склопластику: Матриця смоли та ефект інтерфейсу

Обмеження модуля матриці: модуль пружності смоляної матриці (наприклад, епоксидна смола) лише 3-5 ГПа, значно нижчий, ніж 200 ГПа арматури сталі.

Слабкість зв'язку інтерфейсу: міцність на з'єднання інтерфейсу між скляним волокном і смолою (як правило, <10 МПа) значно нижча, ніж міцність на з'єднання між феритом та перлітом у сталевих смугах, і вона схильна до відмови інтерфейсу або розтріскування матриці під напругою.

Брижні характеристики: Крива напруги штанги склопластикового арматури показує лінійний перелом, що не має платформи врожаю для сталевих брусків, що призводить до очевидного модуля пружності (40-60 ГПа), який становить лише 1/3-2/5 від сталевих брусків.

Арматура: металевий зв’язок та механізм кристалічного ковзання

Суть високої жорсткості: Неправильний характер металевих зв’язків дозволяє розподіленій системі кристалічного ковзання в тривимірному просторі, що призводить до високої стійкості до дислокаційного руху та наділення сталевих брусків з високим еластичним модулем (200 ГПа).

Регулювання пластичної деформації: стадія пластичної деформації сталевих брусків вивільняє місцеву концентрацію напруги через перестановку дислокації, підтримуючи стабільність модуля пружності.

3 、 Інженерна значущість відмінностей

Характерні сталеві бруски, посилені скловолокна

Міцність на розрив 500-900 МПа (значна перевага) 400-750 МПа

Еластичний модуль 40-60 ГПа (1/3-2/5 сталеві смуги) 200 ГПа

Режим відмови крихкий перелом (без попередження) несправність пластини (попередження)

Застосовувані сценарії: Високі вимоги до корозійної стійкості, легкої ваги, стійкості до втоми, пластичної деформації та сейсмічної стійкості

4 、 Висновок

Висока міцність на притяг арматури скловолокна обумовлена ​​структурою ковалентної зв'язку та оптимізованим розташуванням скляних волокон, тоді як модуль з низьким рівнем пружності обмежений модулем матриці смоли, недостатньою міцністю інтерфейсу волоконного матричного інтерфейсу та матеріальною мішаністю. Це поєднання характеристик дає йому унікальні переваги в сценаріях резистентності до корозії, легкої ваги та втоми, але він все ще покладається на арматуру сталі в конструкціях, які потребують високої жорсткості або пластичної деформації. В майбутньому, завдяки нано модифікованій технології обробки смоли або волоконної поверхні, очікується, що він ще більше посилить модуль пружності арматури скляного волокна та розширить його діапазон застосування.