5.10: اختبار التوتر للمواد البوليمرية المقواة بالألياف

1. اتخذ احتياطات السلامة المناسبة ، وارتد واقيا للعين لأن الفشل المتفجر النموذجي لهذه العينات يرسل العديد من الشظايا الصغيرة والحادة التي تطير.
2. احصل على أربع عينات FRP. سيكون اثنان من لوحة FRP زجاجية أحادية الاتجاه مقاس 0.5 بوصة مقطعة إلى عينات 1 × 8 بوصة ، واحدة على طول اتجاه الألياف وواحدة عمودية على الألياف. ستكون العينات الثالثة عبارة عن حديد التسليح الكربوني FRP مقاس 0.25 بوصة ، والرابعة ستكون حديد التسليح الزجاجي الإلكتروني 0.25 FRP. يجب أن يبلغ طول عينات حديد التسليح حوالي 24 بوصة.
3. قم بإرفاق حوامل للأداة عن طريق تضمين 12 بوصة. من نهايات العينات إلى أقسام فولاذية مستديرة ومستطيلة أكبر قليلا وملء المساحات الفارغة بالإيبوكسي عالي القوة. دع الإيبوكسي يعالج وفقا لمواصفات المصنع. هناك حاجة إلى هذا النوع من التوصيل النهائي لأن المسننات الموجودة في مقابض UTM التقليدية ستدمر الراتنج وتؤدي إلى فشل نهائي سابق لأوانه.
4. تابع بنفس طريقة اختبارات الشد الأخرى عن طريق تشغيل UTM وتهيئة برنامجه.
5. أدخل العينات في المقابض وشدها.
6. قم بتحميل العينات في التحكم في الانحراف بمعدل حوالي 0.2 بوصة. في الدقيقة.
7. إذا تم استخدام مقياس التمدد لقياس معامل يونغ ، فتأكد من فكه عند إجهاد 0.01.
8. عندما تبدأ العينة في الفشل ، ستبدأ أصوات الفرقعة والشظايا الصغيرة في التساقط من العينة ، يليها فشل متفجر للمادة ، والتي تنفصل إلى بنية ليفية تشبه الزهرة.

المواد البوليمرية المقواة بالألياف ، FRP ، هي مواد مركبة تتشكل عن طريق تضمين الألياف في راتنج بوليمري ، مما يخلق مصفوفة قوية جدا في اتجاه الألياف.

في أبسط أشكالها ، تتم محاذاة الألياف الموجودة في مواد FRP بشكل منظم في اتجاه واحد ، ومغلفة بالراتنج ، مما يتسبب في تصرف المادة بشكل متعامد. تختلف الخواص الميكانيكية لهذه المواد اختلافا كبيرا في اتجاه الألياف مقارنة بالاتجاهين الرئيسيين الآخرين.

مادة FPR قوية جدا في اتجاه الألياف بسبب القوة العالية للألياف ، وتتصرف بشكل مرن حتى تنكسر الألياف ، وتفشل المادة بطريقة متفجرة. ومع ذلك ، فإن المادة ضعيفة جدا في الاتجاه العمودي بسبب قوة الراتنج المنخفضة بكثير.

في هذا الفيديو ، ستتم دراسة سلوك الشد للعينة أحادية الاتجاه ، مع التركيز على قوتها القصوى وقدرتها على التشوه.

ترتبط قوة مواد FRP ارتباطا مباشرا بقوة الألياف الفردية. مع زيادة النسبة المئوية للألياف في المادة ، تزداد قوة المادة. تحتوي المواد النموذجية على ما يقرب من 50٪ من الألياف من حيث الحجم.

غالبا ما تستخدم القوة أحادية الاتجاه ل FRP في قضبان التسليح أو حديد التسليح ، ولكن يمكن تحقيقها في أكثر من اتجاه واحد للمادة عن طريق التحكم في اتجاه الألياف.

يمكن أن تكون الألياف أماكن في اتجاهات عشوائية ، أو يمكن وضع طبقات مفردة من الطبقات أحادية المحور في اتجاهات متناوبة ، مما ينتج عنه اتجاهان قويان واتجاه واحد ضعيف. يجب اختيار الألياف والراتنج المستخدمة في صنع FRP لتكون متوافقة مع بعضها البعض وتفي بمتطلبات التطبيق.

تؤثر فئة الألياف المستخدمة ، عادة ما تكون زجاجية أو أراميد أو كربون ، على خصائص وتكلفة المنتج النهائي. بشكل عام ، تتمتع الألياف بقدرة إجهاد منخفضة للغاية ، مما يؤدي إلى فشل مفاجئ دون أي دليل على ليونة.

يعمل الراتنج الأساسي على نقل الإجهاد وحماية الألياف من التلف الميكانيكي والبيئي. أثناء التصنيع ، يتم الضغط للضغط على أكبر قدر ممكن من الراتنج لزيادة قوة المادة. من المهم ملاحظة أن خصائص الألياف الفردية ليست خصائص المركب. بدلا من ذلك ، وفقا لقاعدة المخاليط ، فإن خصائص المركب هي نتيجة لوزن ومتوسط الأجزاء المكونة.

في القسم التالي ، سنجري اختبارات توتر بسيطة على آلة اختبار عالمية لمقارنة سلوك الإجهاد / الإجهاد للزجاج والكربون FRP ، مع الحرص على تحضير العينات بشكل صحيح للحصول على نتائج صحيحة.

احصل على أربع عينات FRP. سيكون اثنان من لوحة FRP زجاجية E أحادية الاتجاه مقاس 0.5 بوصة مقطعة إلى عينات بحجم بوصة واحدة في ثماني بوصات: واحدة على طول اتجاه الألياف ، وواحدة عمودية على الألياف. ستكون العينة الثالثة عبارة عن حديد تسليح FRP كربوني 0.25 بوصة ، والعينة الرابعة ستكون حديد التسليح FRP الزجاجي 0.25. يجب أن يبلغ طول عينات حديد التسليح حوالي 24 بوصة.

قم بإعداد عينات حديد التسليح FRP مسبقا عن طريق تضمين 12 بوصة من الأطراف في أقسام فولاذية مستديرة ومستطيلة أكبر قليلا وملء المساحات الفارغة بالإيبوكسي عالي القوة. اترك عدة أيام للعلاج ، وفقا لمواصفات الايبوكسي.

هناك حاجة إلى هذا النوع من التوصيل النهائي لأن المسننات الموجودة في مقابض UTM التقليدية ستدمر الراتنج وتؤدي إلى فشل نهائي سابق لأوانه. تابع بنفس طريقة اختبارات التوتر الأخرى ، عن طريق تشغيل UTM وتهيئة برنامجه. ثم أدخل عينة في المقابض ، ثم قم بإغلاقها في مكانها.

قم بتحميل العينة في التحكم في الإزاحة بمعدل حوالي 0.2 بوصة في الدقيقة. عندما تبدأ العينة في الفشل ، سيتم سماع أصوات فرقعة وستبدأ شظايا صغيرة في التساقط من العينة. يتبعه فشل متفجر للمادة ، والذي ينفصل إلى هيكل ليفي يشبه الزهرة.

فيما يلي منحنى الإجهاد / الإجهاد لعينة لوحة FRP الزجاجية E-glass التي يتم تحميلها في اتجاه الألياف. من هذا التمثيل البياني ، يمكننا تحديد القوة القصوى وقوة الشد والإجهاد وحساب معامل المرونة. هذه النتائج معقولة بالنسبة لمادة محددة بنسبة 50٪ من حجم الألياف الزجاجية E التي تظهر سلوك البطانة بشكل أساسي.

يوضح هذا الرسم البياني نفس المادة المحملة بشكل عمودي على اتجاه الألياف. يمكننا أن نلاحظ انخفاضا في القوة القصوى وقوة الشد والإجهاد ومعامل المرونة. لاحظ أن قدرا كبيرا من القوة المقاسة في هذه العينة المعينة يأتي من الألياف الموجودة في الطبقات الواقية الخارجية ، حيث يتم توجيه الألياف بشكل عشوائي. يؤكد الاختلاف الكبير جدا بين الاتجاهين على قابلية تخصيص خصائص المواد. في هذه الحالة ، لدينا مادة قوية في اتجاه واحد وضعيفة في الاتجاه الآخر.

تشهد أسطح الفشل على ذلك ، حيث تظهر أسطح الألياف المحاذاة طوليا العديد من الألياف المكسورة ، وتلك التي تحتوي على ألياف محاذاة بشكل عمودي تظهر السطح النموذجي لفشل الراتنج في الواجهة. بمقارنة سلوك حديد التسليح FRP ، هناك فرق كبير جدا في القوة ومعامل المرونة. تفشل كلتا المادتين فور حمل الحمولة القصوى.

يتضح الفرق بين شريط FRP الكربوني القوي ، والزجاج الإلكتروني الأكثر نعومة ، ولكن الأكثر مرونة ، في هذا الرسم البياني الخطي. ومع ذلك ، هناك القليل من ليونة ، لأنها تفشل في جزء بسيط من سلالة المعادن مثل فولاذ a36.

تستخدم مواد FRP في عدد لا يحصى من تطبيقات الهندسة المدنية ، بما في ذلك تطبيقات البناء والإصلاح الأصلية. دعونا نلقي نظرة على بعض الاستخدامات الشائعة ل FRPs.

يمكن تشريب صفائح FRP والشرائح والقضبان بالراتنج وتجهيزها مسبقا لاستخدامها في التطبيقات الميدانية. قضبان وألواح FRP خفيفة ومقاومة للتآكل ، لذا فهي تجد تطبيقات في أسطح الجسور ومرائب وقوف السيارات ، حيث تؤدي إزالة الجليد إلى تدهور سريع للقضبان التقليدية.

تستخدم العديد من التطبيقات البحرية أيضا مواد FRP لمقاومتها للتآكل والملح. يستخدم FRP على نطاق واسع في صناعة القوارب ، وكذلك للهياكل البحرية وخطوط الأنابيب.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE لاختبار التوتر للمواد البوليمرية المقواة بالألياف ، أو FRPs. يجب أن تفهم الآن مكونات FRPs والاختبارات المعملية القياسية لتحديد قوتها.

شكرا للمشاهدة!