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陶瓷基质复合材料及其弯曲特性

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复合材料是将基质和一种或多种钢筋材料组合而成的材料。复合材料的整体弯曲强度取决于其组成材料的特性。陶瓷是一种具有强烈压缩性能的硬质材料,但这种材料也非常脆。通过混合玻璃或聚合物纤维,它变成了一种更具延展性的材料。

例如,在人造骨复合材料中,陶瓷提供所需的压缩强度,而聚合物纤维则增加了拉伸和柔韧性强度。通过组合不同量的陶瓷和聚合物材料,可以针对特定应用定制独特的材料。

本视频将说明如何用巴黎的石膏制作三种陶瓷基质复合材料,并确定哪种制剂具有最强的弯曲性能。这些样品的弯曲强度将使用三点弯曲试验进行测量。

让我们仔细看看三点弯曲测试。在此方法中,条形样品纵向安装在两个平行引脚上。安装应使材料能够在外力下拉伸和弯曲。

在此测试中,将施加与中间样本垂直的外力。因此,它在施加外部负载的一侧受到压缩力,在拉伸的另一侧受到拉伸力。这两种力量的结合也创造了一个沿中线的绝对应力区域。

这三种力共同决定给定样品的弯曲或弯曲强度。随着外力的增加,材料的弯曲或偏转量也会增加,直到材料失效。可以使用样品的偏转、跨度长度和厚度来计算材料上的弯曲应变。材料的弯曲应力可以从样品的施加力、跨度长度、宽度和厚度来计算。

三点弯曲试验给出了材料的弯曲应力和应变曲线。弹性区域曲线的斜率表示样品的弯曲模量,并测量给定材料的弯曲程度。应力应变曲线下的面积表示材料在失效前吸收的能量量,因此,它是材料韧性的度量。

从理论上讲,复合材料的最大弹性强度可以用混合物的规则计算,使用其基质的最大弹性强度和体积分数下的增强材料。

现在,您已经了解了三点弯曲方法的工作原理以及如何测量材料的弯曲性能,让我们制作三种基于陶瓷的复合材料,并找出哪一种具有最高的弯曲强度。

首先,让我们做三个陶瓷基体复合材料的样品。首先,获得一个蓝色橡胶模具,它可以制作三个条形样品。我们将从普通石膏制作您的第一个样品。首先,将 40 克干石膏粉称重到塑料杯中,然后缓慢地加入 20 毫升去离子水,然后用棍子搅拌,直到达到平滑的一致性。立即继续下一步,因为石膏在大约五分钟后开始变硬。接下来,将产生的浆料倒入模具的其中一个隔间中。完全填充模具,用斗杆将其平滑。最后,扔掉杯子和任何多余的石膏。请保留这根棍子,以便将来使用。

您将使用石膏粉和切碎的玻璃纤维制作第二个复合样品。为此,首先将四克切碎的玻璃纤维放入塑料杯中。接下来,将40克石膏粉放入同一杯中,然后慢慢加入20毫升去离子水。用棒子搅拌浆料,直到纤维完全混合,实现平滑一致性。如样品一所述,将浆料倒入第二个模具中。

您将使用普通石膏粉和纤维玻璃胶带制作最后一个复合样品。为此,首先切下两条长约5英寸的纤维玻璃胶带,然后称量。其次,用普通的石膏粉制作浆料,就像第一个样品一样。

接下来,将大约 1/3 的石膏倒入模具中。将一条纤维玻璃胶带放在石膏上,用棍子向下压。始终确保石膏彻底湿透了纤维玻璃,然后将剩余的石膏的大约 1/2 倒在纤维玻璃胶带上。

接下来,将第二条胶带放在石膏上,用棍子将其压下。将石膏的其余部分倒在第二条的顶部,然后用棍子将其压下。

测量每个条形的平均长度、宽度和高度。使用校准的口径测量三点测试夹具上的样品的跨度长度。将 UTM 仪器设置为零,并启动每分钟 5 毫米的附加位移速度。

对于普通石膏和切碎的玻璃纤维样品,运行测试,直到样品失败。对于光纤玻璃胶带复合材料,运行测试,直到偏转为 6 毫米。使用计算机上的实验室视图程序将每个测试的数据收集到文本文件中。

UTM 为力和偏转生成单列文本文件。实验室视图接口将相应的读数分类到两个不同的数组中。现在,使用 UTM 生成的数字和称重传感器的最大值 1,000 将原始数据转换为力和偏转。

接下来,使用力和偏转值,计算弯曲应力和应变。绘制三个样品的弯曲应变-应力曲线:石膏、切碎的玻璃复合材料和纤维胶带复合材料。从曲线中查找最大弯曲强度。也找到最大强度的弯曲应变。接下来,计算每个样本的弯曲模量和曲线下的总面积。

最后,比较三个样本的结果。该实验表明,使用不同的钢筋材料可以达到样品所需的强度。通过检查样品数据,我们发现纤维玻璃胶带提供了最大的附加强度。它还覆盖了曲线下的最大面积,因此是三个曲线中最难的。纤维长度和方向对复合样品的性能有显著影响。

例如,只有当纤维玻璃胶带与试样表面平行时,才能实现最大加固。这种空间方向允许纤维玻璃胶带承受石膏基质失效时的额外力。较长的件将允许在测试下的最大牵引力,因为有更多的石膏周围的纤维玻璃增强。

陶瓷基质复合材料广泛应用于空间科学、生物工程和汽车破碎系统。陶瓷基质复合材料也用于合成我们的人造骨骼。我们的骨骼本身具有强大的复合结构,因此有能力替换和复制骨骼由于疾病或创伤性损伤是医学科学的重要组成部分。

陶瓷复合材料具有更高的强度、更高的热稳定性和更低的磨损,因此也提供卓越的汽车破碎系统。由于这些原因,它们被用于跑车。

您刚刚观看了 Jove 的陶瓷矩阵复合材料及其弯曲特性简介。现在,您应该了解如何制作复合材料,使用三点弯曲测试测试其弯曲特性,并将其与其他复合材料进行比较。

谢谢你的收看。

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