Tại sao độ bền kéo của gia cố sợi thủy tinh cao hơn nhiều so với cốt thép, nhưng mô đun đàn hồi thấp hơn? Cơ chế cơ học của nó là gì?

Độ bền kéo của gia cố sợi thủy tinh cao hơn nhiều so với cốt thép, nhưng mô đun đàn hồi của nó thấp hơn, là do sự khác biệt thiết yếu trong thành phần vật liệu, cấu trúc vi mô và cơ chế cơ học. Dưới đây là một phân tích chi tiết từ quan điểm của các nguyên tắc khoa học:

1 Cơ chế cốt lõi của sự khác biệt về độ bền kéo

Củng cố sợi thủy tinh: Liên kết cộng hóa trị và cơ chế gia cố sợi

Cơ sở vật liệu: Củng cố sợi thủy tinh được làm bằng sợi thủy tinh làm giai đoạn gia cố (chiếm 60% -70% theo thể tích) và thành phần cốt lõi của nó là cấu trúc mạng silica (SIO ₂), tạo thành mạng tinh thể mạnh thông qua các liên kết cộng hóa trị.

Nguồn sức mạnh:

Năng lượng gãy của sợi thủy tinh: Năng lượng gãy của sợi thủy tinh cao tới 7,0-9,5 kJ/m ², vượt xa năng lượng gãy của liên kết kim loại trong các thanh thép (khoảng 2,5-4.0 kJ/m ²).

Tối ưu hóa sắp xếp sợi: Các sợi được sắp xếp theo cách có trật tự dọc theo hướng trục và tải được truyền hiệu quả đến các sợi thông qua ma trận nhựa, đạt được ứng suất tập trung dọc theo hướng sợi.

So sánh dữ liệu: Độ bền kéo của gia cố sợi thủy tinh có thể đạt 500-900 MPa, trong khi đó của cốt thép thông thường (HRB400) là 400-600 MPa và cốt thép có độ bền cao (HRB600) chỉ là 600-750 MPa.

Củng cố: Cơ chế tăng cường liên kết kim loại và trật tự

Nền tảng vật liệu: Thanh thép được làm bằng hợp kim carbon sắt, được hình thành thành cấu trúc ngọc trai ferrite thông qua các quy trình cuộn lạnh hoặc vẽ lạnh. Bản chất không định hướng của liên kết kim loại kết nối chúng với khả năng chịu tải ba chiều đồng đều.

Nguồn sức mạnh:

Điện trở chuyển động trật khớp: Tăng cường dung dịch rắn nguyên tử carbon và cấu trúc lamellar của ngọc trai cản trở sự trật khớp, nhưng năng lượng gãy của liên kết kim loại giới hạn giới hạn cường độ trên lý thuyết của chúng.

Đóng góp của biến dạng dẻo: độ giãn dài khi phá vỡ các thanh thép có thể đạt 15% -25%. Trong giai đoạn biến dạng dẻo, năng lượng được hấp thụ thông qua sự lan truyền trật khớp, nhưng một số sức mạnh lý thuyết được hy sinh.

2 Cơ chế cốt lõi của sự khác biệt trong mô đun đàn hồi

Củng cố sợi thủy tinh: ma trận nhựa và hiệu ứng giao diện

Giới hạn mô đun ma trận: Mô đun đàn hồi của ma trận nhựa (như nhựa epoxy) chỉ là 3-5 GPa, thấp hơn nhiều so với 200 GPa của cốt thép.

Điểm yếu của liên kết giao diện: Cường độ liên kết giao diện giữa sợi thủy tinh và nhựa (thường <10 MPa) thấp hơn nhiều so với cường độ liên kết giữa ferrite và ngọc trai trong các thanh thép, và dễ bị giao diện gỡ rối hoặc nứt ma trận khi bị căng thẳng.

Đặc điểm giòn: Đường cong căng thẳng của gia cố sợi thủy tinh cho thấy gãy tuyến tính, thiếu nền tảng năng suất cho các thanh thép, dẫn đến một mô đun đàn hồi rõ ràng (40-60 GPa) chỉ có 1/3-2/5 so với các thanh thép.

Củng cố: Cơ chế trượt kim loại và tinh thể

Tinh chất độ cứng cao: Bản chất không định hướng của liên kết kim loại cho phép hệ thống trượt tinh thể được phân phối đồng đều trong không gian ba chiều, dẫn đến khả năng chống trật tự cao và các thanh thép có mô đun đàn hồi cao (200 GPa).

Điều chỉnh biến dạng dẻo: Giai đoạn biến dạng dẻo của các thanh thép giải phóng nồng độ ứng suất cục bộ thông qua việc sắp xếp lại trật khớp, duy trì sự ổn định của mô đun đàn hồi.

3 Ý nghĩa kỹ thuật của sự khác biệt về hiệu suất

Thanh thép cốt sợi thủy tinh đặc trưng

Độ bền kéo 500-900 MPa (Lợi thế đáng kể) 400-750 MPa

Mô đun đàn hồi 40-60 GPa (1/3-2/5 Thanh thép) 200 GPa

Chế độ thất bại gãy xương giòn (không có cảnh báo) Sai làm hỏng cổ (cảnh báo)

Các kịch bản áp dụng: Yêu cầu cao đối với khả năng chống ăn mòn, nhẹ, kháng mỏi, biến dạng dẻo và kháng địa chấn

4 Kết luận

Độ bền kéo cao của cốt thép sợi thủy tinh là do cấu trúc liên kết cộng hóa trị và sự sắp xếp sợi tối ưu của sợi thủy tinh, trong khi mô đun đàn hồi thấp bị giới hạn bởi mô đun của ma trận nhựa, độ bền liên kết của Ma trận không đủ và độ brittlility vật liệu. Sự kết hợp của các đặc điểm này mang lại cho nó những ưu điểm độc đáo trong tình trạng chống ăn mòn, các kịch bản kháng nhẹ và mệt mỏi, nhưng nó vẫn dựa vào cốt thép bằng thép trong các cấu trúc đòi hỏi độ cứng hoặc biến dạng dẻo cao. Trong tương lai, thông qua công nghệ xử lý bề mặt sợi hoặc nhựa biến đổi nano, dự kiến ​​sẽ tăng cường hơn nữa mô đun đàn hồi của cốt thép sợi thủy tinh và mở rộng phạm vi ứng dụng của nó.