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Structural Engineering

纤维增强高分子材料的拉伸试验

Overview

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。

Principles

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FRP 材料的强度直接关系到单个纤维的强度和可放入单位体积的纤维量。理论上, 可以达到高达90% 纤维的体积;然而, 这种高密度的纤维不能通过经济上可行的商业制造过程来实现。一般而言, 大多数玻璃钢材料在土木工程中的应用量约为50-60% 纤维。

有几种类型的玻璃钢材料基于不同类别的纤维, 如玻璃纤维增强聚合物 (玻璃钢), 碳纤维增强聚合物 (CFRP), 和芳纶纤维增强聚合物 (AFRP)。Aramids 是一类合成聚合物, 类似于尼龙, 表现出非凡的强度和耐温变化。表1显示了各类纤维不同特性的变化。在评估 frp 材料对某一特定应用的适用性时, 必须小心, 以配合基材和 frp 的性能, 例如确保膨胀的互补热系数, 以确保适当的长期行为。此外, 我们必须确认, 玻璃钢和基材之间缺乏化学作用, 因为许多纤维和树脂对腐蚀、湿气和高温的制造和使用都很敏感。

特征 玻璃纤维 碳纤维 芳纶纤维
强度 非常高
刚度 非常高
热稳定 < 1500:F < 3500:F 350:F
抗冲击性
防潮性能 敏感 耐高 敏感
耐化学性 敏感 耐高 耐高
电导 率 高度绝缘 高导电性 低电导率
价格 $ $$$ $$

表1。玻璃钢材料性能。

除了在钢筋中最简单的单轴应用外, 还有许多应用可以利用单轴纤维在特定或随机方向上的栈来制造层压材料。

在大多数情况下, 这些板块仍然是正交异性的, 但现在有两个强方向和一个弱方向 (从平面)。在这些结构的汇编中, 有三个重要的定义需要考虑。一层是单一的纤维垫或单一的预妊娠板。预妊娠板是一种浸渍树脂的纤维垫, 在热、压力或两者之间进行预固化, 并用于现场应用, 例如, 板材将粘附到现有表面以加强它。层压板是几层层的固化堆积物。请注意, 层压可以由不同的纤维或纤维卷组成的层, 导致易于定制的 FRP 为其预期用途。在 frp 可应用于光滑表面的地方采用层压板, 只需要部分覆盖;当包装整个结构元素和表面不均匀时, 使用层和预妊娠板。

在创建层压板时, 需要施加压力以尽可能挤出尽可能多的树脂, 以增加纤维体积。FRP 材料中常用的几种树脂包括环氧树脂、vinylesters 和聚酯。树脂的主要功能是在基体中的相邻纤维之间传递应力, 保护纤维不受机械和环境的破坏。聚合物树脂一般是石化或天然气衍生物, 可以是热固性或热塑性塑料。虽然热固性在固化时不能变形, 但热塑性塑料, 如聚酯和乙烯基酯, 在固化时会变形并交联, 从而具有更大的耐热性。这两种聚合物均可用于复合材料中, 并可与增强纤维结合使用。然而, 大多数热塑性聚合物不使用复合材料形式, 因为它们已经表现出高强度, 而热固性聚合物一般要求高纤维体积的强纤维, 以达到相同的强度。热固性是目前复合材料行业中的主要聚合物, 因为现有的各种聚合物可以满足几乎所有的最终用途应用。高分子树脂是根据产品的物理和机械性能和制造工艺要求而选择和量身定做的。

除了增强纤维和树脂, 还有填料和添加剂, 在复合系统中发挥重要作用。填料和添加剂是处理助手, 传授 "特殊" 的属性, 以量身定做最终产品的要求规格。填料或填充剂用于许多复合材料系统, 具有三主要功能:

  1. 提高某些力学性能, 如抗压强度、耐火性、裂纹扩展和耐化学性。
  2. 提高复合材料系统的加工性能, 如物理特性和表面光洁度的均匀性。
  3. 通过更换一些较昂贵的聚合物和强化系统来降低材料成本。

一些常见的填料包括碳酸钙、粘土、滑石、二氧化硅、云母和微球;然而, 最常见的填料是碳酸钙, 因为它的低成本和可用性。

另一方面, 添加剂涵盖了各种不同的材料, 用于相对较少的数量, 但在加工和最终产品性能的综合作用。添加剂扮演着无数的角色, 例如:

  1. 修改治愈率。
  2. 延长货架寿命, 防止收缩。
  3. 提高耐候性, 降低粘度。
  4. 增加颜色, 减少孔隙度。

一些常见的添加剂包括催化剂和促进剂, 用于影响热固性聚合物的固化, 抑制剂, 控制热固性反应, 释放剂, 使零件更容易从他们的模具, 以及颜料, 紫外线吸收器, 和火阻燃.

在考虑整个玻璃钢材料系统 (纤维、树脂、填料和添加剂) 时, 影响玻璃钢力学性能的主要因素有纤维增强型、纤维体积、纤维取向、树脂型、制造工艺、和质量控制。

对于用于 FRPs 碳、芳纶和玻璃的三种主要纤维, 其应力应变行为基本上是线性弹性的, 纤维的应变能力很低。这种特征导致突然的失败, 没有任何延性的证据。

在对纤维和基体行为进行建模时, 树脂或纤维的应变能力可以控制机械行为。在实际应用中, 材料在纤维和基体之间的小尺度上会非常不均匀;然而, 对于建模和设计的目的, 我们认为它是同质的等效弹性模量的基础上的混合物规则。混合物的规则规定, 复合材料的各种性质将是由构成部分的加权平均的结果, 无论是平行或串联。在纤维材料开裂之前, 或在复合材料基体开裂之前, 复合材料将根据混合物的规则行为:

c = σ mvm + Σηfi
Vm + ΣV = 1

合成 的强度
Vm = 纤维的体积分数
矩阵 的强度
Vm = 矩阵的体积分数
σ = 纤维的力量

地方
Nf = 0.375, 为随机纤维
Nf = 1, 为单向纤维在纤维方向被注重
Nf = 0, 为单向纤维强调垂直于纤维方向

一个相似的等式可以用于计算复合材料的弹性模量 (Ec)。考虑一个由芳纶纤维 (sf1 = 50万 psi, Ef1 = 50x106 psi) 和碳纤维 (sf2 = 30万 psi 和, Ef2 = 15x106 psi) 组成的编织混合复合织物在环氧树脂基体 (sm = 8000 psi和 Em = 0.50x106 psi)。在这种结构中, 碳纤维在 0o方向运行, 芳纶纤维在 90o方向运行。总纤维体积分数为 0.60, 碳和芳纶纤维体积相等。两个垂直方向的强度和模量为:

sc,0° = sm v + s h fifi v = (8) (0.4) + (300) (0.6) = 183.2 ksi = s1

sc,90° = sm v + s h fifi v = (8) (0.4) + (500) (0.6) = 303.2 ksi = s2

ec,0° = ( 0.5) (0.4) + (50 ) ( 0.6) = 30.2 x 106 ksi = e1

ec,90° = ( 0.5) (0.4) + (15 ) ( 0.6) = 9.2 x 106 ksi = e2

此外, 在设计玻璃钢材料时, 纤维必须足够长才能折断, 但不能拉出材料。对于大多数常见的应用, 纤维是足够长的时间, 但仍然必须被认为是设计所必需的。

为了证明和对比两种玻璃钢的应力-应变行为, 一个相对薄弱的玻璃钢和强碳 frp, 简单的拉伸试验将按照下面的描述进行。测试这些材料的一个重要问题是, 软基体容易受到硬金属手柄的损坏, 导致故障就在手柄外。以这种方式失败的测试通常不被视为产生有效结果。下面介绍了一个简单的程序, 给出了令人满意的结果。

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Procedure

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  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。

谢谢收看!

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Results

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对 E 玻璃 FRP 板试样的典型应力-应变曲线进行了显示, 该板具有纵向对齐的两个单轴层 (图 1), 并分别垂直 (图 2) 到加载方向。对于平行于纤维的负载情况 (图 1), 最大力为12.32 逃学, 对应于 98.6 ksi 的抗拉强度。失败发生在2.98% 的应变和弹性弹性模量, 计算从线正切为30% 的极限载荷, 是 5686 ksi。由于未使用计, 因此该值应仅作为杨氏模量的指示。行为本质上与失败是线性的。结果是合理的材料指定在50% 电子玻璃纤维容量。

Figure 1
图 1: E 玻璃 FRP 板的应力应变曲线: 与纤维平行的负载.

对于垂直于纤维的载荷情况 (图 2), 最大力为2.72 逃学, 对应于 10.9 ksi 的抗拉强度。失败发生在2.24 的应变和弹性弹性模量, 计算从线正切为30% 的极限载荷, 是 640 ksi。

Figure 2
图 2: E 玻璃 FRP 板的应力应变曲线: 垂直于纤维的载荷.

正如预期的那样, 两个方向之间有很大的差别, 如比较图所示 (图 3)。这就强调了材料性能的 tailorability;在这种情况下, 我们有一个强大的材料, 在一个方向和较弱的另一个。

Figure 3
图 3: E 玻璃 FRP 板的应力应变曲线: 负载平行 (蓝色) 和分别, 垂直 (橙色) 的纤维.

失败表面承担证人这, 与一个为纤维排列纵向地显示许多残破的纤维和一个与纤维垂直地排列显示典型的表面为树脂故障在接口。

图4中的图显示了 FRP 筋的性能比较。当我们比较碳纤维和玻璃钢曲线时, 强度下降幅度 (约 2) 和弹性模量 (约 4) 下降。所有这些玻璃钢材料都可以看到有很少或没有延性, 在运载他们的最大负荷后立即失败。

Figure 4
图 4: 电子玻璃 (橙色) 和碳 (蓝) FRP 筋的线性应力-应变曲线.

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Applications and Summary

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玻璃钢材料是轻质、强力复合材料, 广泛应用于民用、机械、航天等领域。 它们由嵌入在树脂或类似基体中的强纤维组成, 它们是以多种形式制造的, 包括 prepeg 条和层压板。 它们的强度和刚度可以通过改变纤维的数量、类型和方向性来量身定做。 FRP 材料的变形能力要比金属或聚合物小得多, 对失败的警告很少, 因此研究失效的方式和机理是很重要的。

玻璃钢材料广泛应用于各种土木工程应用, 从运输到建筑材料, 海运到电子应用, 甚至消费品到商用设备。 有玻璃钢杆和塔的悬挂电源和电话线, 玻璃钢楼梯间和车库, 玻璃钢屋面, 海堤加固, 玻璃钢船用挡泥板, 和地面锚地的名称。它们还广泛用于加强和修复结构。

许多公路结构, 如 Prodeck 桥系统和汽车天桥, 都采用 FRP 材料, 以帮助加固和支持在道路系统中穿过桥梁的荷载。即使是在高速公路两侧看到的护栏, 也可以用玻璃钢材料建造。FRP 材料也被用于运输人在步行桥梁, 例如 Aber Feldy 高尔夫球俱乐部桥梁在苏格兰和小腿城堡天桥在坎布里亚, 英国。

许多海洋应用用 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。FRP 材料不仅在实际施工应用中看到, 而且在艺术建筑形式和过山车等有趣的应用中也有。旧金山的射击箭雕塑, 名叫 "丘比特的跨度", 是由 FRP 材料制成的, 在全国六旗的许多过山车上都有底座。

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