纤维增强高分子材料的拉伸试验

Structural Engineering

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Summary

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂

纤维增强高分子材料 (FRP) 是由聚合物树脂中嵌入的纵向纤维形成的复合材料, 从而创建了沿一个或多个方向排列的纤维的聚合物基体。以其最简单的形式, FRP 材料中的纤维以有序、平行的方式排列, 从而传授各向异性材料的特性, 这意味着材料在两个方向上的行为会有所不同。与纤维平行, 材料将非常强烈和/或僵硬, 而垂直于纤维将是非常微弱的, 因为力量只能归因于树脂而不是整个基体。

这种单向配置的一个例子是商用玻璃钢钢筋, 它模仿传统的钢筋在钢筋混凝土结构中使用。FRP 材料既用作独立的结构, 如行人桥和楼梯, 也用于加强和修复现有结构的材料。薄, 长的板材经常 epoxied 到现有的混凝土结构增加力量。在这种情况下, 玻璃钢棒作为外部加固。玻璃钢棒材和板材更轻、更耐腐蚀, 因此他们在桥面和停车库中寻找应用, 在那里, 脱冰板条会导致传统钢筋的快速变质。

在本实验中, 对单向试样的拉伸行为进行了研究, 强调了其极限强度和变形能力。该试样的行为预计将是弹性的, 直到失败, 预计会发生突然和爆炸性的方式。这种行为应与韧性钢形成对比, 在失效前表现出广泛的变形能力和应变硬化。

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JoVE Science Education Database. 结构工程. 纤维增强高分子材料的拉伸试验. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

  1. 采取适当的安全措施, 并佩戴眼睛保护, 因为这些标本的爆炸故障典型地发送许多小, 尖锐的碎片飞行。
  2. 获得四件玻璃钢标本。两个将从单向0.5 英寸的 E 玻璃玻璃钢板切割成 1 "x 8" 标本, 一个沿纤维的方向和一个垂直的纤维。第三个样品将是一个0.25 英寸的碳纤维玻璃钢钢筋, 第四将是一个0.25 玻璃钢玻璃钢筋。钢筋标本应该有24英寸长。
  3. 附加持有人为仪器通过嵌入12在. 试样的两端以稍大的钢圆和矩形截面, 并用高强度环氧树脂填充空空间。按照制造的规格让环氧树脂固化。这种类型的端连接是需要的, 因为在传统的锯齿手柄将破坏树脂和导致过早结束失败。
  4. 以与其他张力测试相同的方式进行, 方法是打开 UTM 并初始化其软件。
  5. 将标本插入手柄并拧紧。
  6. 在偏转控制中以每分钟0.2 的速度加载试样。
  7. 如果用计来测量杨氏模量, 一定要把它卸下在0.01 的应变上。
  8. 当标本开始失败时, 弹出的声音和小碎片将开始从标本上脱落, 接着是材料的爆炸性破坏, 这种物质分离成纤维状的花状结构。

纤维增强聚合物材料, FRP, 是复合材料, 是由嵌入纤维在聚合物树脂, 创建一个矩阵, 是非常强大的方向, 纤维。

在最简单的形式, FRP 材料的纤维在一个方向有序排列, 并封装在树脂, 导致材料的行为 orthotropically。与其他两个原理方向相比, 这些材料的力学性能与纤维的方向有很大的不同。

由于纤维的高强度, FPR 材料在纤维的方向非常强, 在纤维断裂之前表现弹性, 并且材料以爆炸性的方式失败。然而, 由于树脂的强度非常低, 材料在垂直方向上非常薄弱。

在这段视频中, 将研究单向试样的拉伸行为, 重点研究其极限强度和变形能力。

FRP 材料的强度直接关系到单个纤维的强度。随着材料中纤维含量的增加, 材料的强度增加。典型的材料有大约50% 纤维由容量。

FRP 的单向强度常用于钢筋或钢筋, 但可以通过控制纤维的方向来实现材料的多个方向。

纤维可以是随机方向的地方, 或者单 plys 的单向层可以在交替方向上放置, 导致两个强方向和一个弱方向。用于制造玻璃钢的纤维和树脂必须选择相互兼容并满足应用要求。

使用的纤维类, 通常是玻璃、芳纶或碳, 影响最终产品的性能和成本。一般来说, 纤维的应变能力很低, 导致突然的失败, 没有任何延性的证据。

树脂的主要作用是转移应力和保护纤维免受机械和环境的破坏。在制造过程中, 压力被用来挤出尽可能多的树脂, 以增加材料的强度。必须注意的是, 单个光纤属性不是复合体的属性。相反, 根据混合物的规则, 复合材料的性质是由组成部件的重量和平均值造成的。

在下一节中, 我们将在万能试验机上进行简单的拉伸试验, 比较玻璃和碳纤维 FRP 的应力/应变行为, 同时注意适当地准备样品以获得有效的结果。

获得四件玻璃钢标本。两个将从单向0.5 英寸 E 玻璃玻璃钢板切割成一个八英寸的标本: 一个沿纤维的方向, 一个垂直的纤维。第三个样品将是一个0.25 英寸的碳纤维玻璃钢钢筋, 第四将是一个0.25 玻璃钢钢筋。钢筋标本应该有24英寸长。

将12英寸的端部嵌入稍大的钢圆和矩形截面, 用高强度环氧树脂填充空空间, 预先准备 FRP 钢筋试样。根据环氧树脂的规格, 允许几天的固化。

这种类型的端连接是需要的, 因为在传统的锯齿手柄将破坏树脂和导致过早结束失败。以与其他张力测试相同的方式进行, 方法是打开 UTM 并初始化其软件。然后, 将标本插入手柄, 并将其锁定到位。

以每分钟0.2 英寸的速度在位移控制中加载试样。当标本开始失效时, 会听到弹出的声音, 小碎片将开始从标本上脱落。其次是材料的爆炸的失败, 分离成纤维状花状结构。

这是在纤维的方向加载的 E 玻璃 FRP 板试样的应力/应变曲线。从该图可以确定最大力、抗拉强度和应变, 计算弹性模量。这些结果是合理的材料指定在50% 电子玻璃纤维体积显示基本上班轮行为。

该图显示与纤维方向垂直加载的相同材料。我们可以看到最大力, 抗拉强度, 应变和弹性模量的下降。请注意, 在这个特定标本中测量的大量强度来自外部保护层中的纤维, 其中纤维是随机定向的。两个方向之间的很大的差别强调了材料性质的 tailorability。在这种情况下, 我们有一个强大的材料, 在一个方向, 并在另一个薄弱。

失败表面承担证人这, 与一个为纤维排列纵向显示许多残破的纤维, 并且一个与纤维垂直地被排列显示典型的表面为树脂故障在接口。对比 FRP 筋的性能, 在强度和弹性模量上有很大的差异。两种材料在装载最大载荷后立即失效。

在这一线性化图中, 强碳玻璃钢棒的区别和软, 但更韧的 E 玻璃的差别很明显。然而, 没有延性, 因为他们失败的一部分, 金属的应变, 如 a36 钢。

玻璃钢材料广泛应用于土木工程的各种应用领域, 包括原始建筑和维修应用。让我们来看看 FRPs 的几种常用用法。

玻璃钢板材、层压板和棒材可以用树脂和预硫化浸渍, 用于现场应用。玻璃钢棒材和板材具有耐光和耐腐蚀性, 因此他们在桥面和停车库中寻找应用, 在那里, 除冰会导致传统钢筋的快速变质。

许多海洋应用也使用 FRP 材料抵抗腐蚀和盐。玻璃钢广泛应用于划船行业以及海军结构和管道。

你刚刚看了朱庇特的介绍纤维增强高分子材料的张力测试, 或 FRPs。你现在应该了解 FRPs 的成分和标准的实验室测试, 以确定他们的实力。

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