玻璃鋼力學性能

1、玻璃鋼的基本性能一力學性能時間：2021.03.01創(chuàng)作：歐陽語玻璃鋼的力學性能突出的一點是比強度高,這是金屬材料和 其它材料無法相比的。這里,我們要提一下強度的概念。強度通常是指單位面積所 能承受的最大荷載,超過這個荷載,材料就破壞了。強度又 分為拉伸強度、壓縮強度、彎曲強度和剪切強度。例如說聚 酯玻璃鋼抗拉強度290MPa ,是指每平方厘米截面可承受2 900Kg的拉力。玻璃鋼輕質高強的性能,來源于較低的樹脂密度（澆鑄體密 度1.27左右）以及玻璃纖維的高抗伸強度（普通鋼材的5 倍以上）。玻璃鋼的密度隨著樹脂含量的不同而有所不同。 從高樹脂含量的玻璃氈制品到低樹脂含量的玻璃鋼纏繞制品 （密

2、度2.2 ）,玻璃鋼的密度只有普碳鋼的1/4-1/5 ,比鋁 還輕1/3左右。玻璃經高溫熔融、快速拉成細絲時,由于比表面積增大,玻 璃纖維內部及表面就難以存在大缺陷,所以玻璃纖維的強度 就非常高z常用的是無堿鋁硼硅酸鹽纖維,其一般性能如表 下所示。性能:密度(g/cm3 )性能數(shù)據：2.53-2.55性能:折射率(25C )折射率(25C )性能數(shù)據：1.454-1.549性能：拉伸強度(MPa)性能數(shù)據：100-300性能:介電常數(shù)102赫茲性能數(shù)據:赫茲性能:拉伸彈性模量(MPa)性能數(shù)據:7000性能：介電常數(shù)106赫茲性能數(shù)據：6.32性能：斷裂時的伸長率(%)性能數(shù)據：1.5-4性能

3、:介電常數(shù)1010赫茲性能數(shù)據:6.11性能性能數(shù)禺生能性能數(shù)據汩松比（塊玻璃）0.22正切損失102赫茲0.0042 線膨脹系數(shù)C J 4.8*10-4正切損失1010赫茲0.006 比熱KJ/（Kg/K）0.80體積電阻（Q-cm ）體積電阻（Qcm ）1011-1013導熱系數(shù)W/mK ）1.0聲速m/ s聲速m/ s5500軟化溫度（C） 850玻璃鋼中常用的玻璃纖維直徑是8 - 1 3 Rme近年來各國 所用的玻璃纖維趨向于向粗直徑發(fā)展,通用的是1 318口 m,采用池窯拉絲。采用粗直徑纖維既不影響玻璃鋼的性 能，纖維的產量又可以大幅度提高（因為產量和直徑成平方 關系）。也有采用直徑

4、2 0Rm以上的玻璃纖維。玻璃鋼所 用的玻璃纖維一般是把單絲并成線或粗紗,或進一步制成織 物及做成氈來使用。從下表所得的各種纖維強度比較來看, 玻璃纖維的強度是相當高的。性能:拉伸強度MPa羊毛：-棉紗：34.54亞麻:35尼龍:30-60生絲:44玻纖:100-300鋼：50-200性能:延伸率羊毛:24-28棉紗：6-12亞麻：-尼龍:15-40生絲:15-86玻纖：2.5-4鋼：-玻璃纖維可按三種方向排列：(-)單向纖維增強的玻璃鋼這一類玻璃鋼,玻璃纖維定向排列在一個方向,它是用連續(xù) 紗或單絲片鋪層的。在纖維方向上，有很高的彈性模量和強 度，其纖維方向的強度可高達10 0 OMP a，但

5、在垂直纖 維方向上,其強度很低。只有嚴格的單向受力情況下，才使 用這類玻璃鋼。其纖維體積含量可以高達60%（二）雙向纖維增強的玻璃鋼這類玻璃鋼是用雙向織物鋪展的,其玻璃纖維體積含量可達 5 0%。在兩個正交的纖維方向上，有較高的強度。它適用 于矩形的平板或薄殼結構物。（三）準各向同性玻璃鋼這類玻璃鋼是用短切纖維氈或模塑料制成的，制品中各向強 度基本接近，纖維體積含量一般小于3 0%,適用于強度、 剛度要求不高或荷載不很清楚而只能要求各向同性的產品。在玻璃鋼/復合材料中,力學性能在相當大的程度上取決于 增強材料,有人把它比做是材料的筋骨。古代增強材料主要 是麻和棉纖維以及絲綢類。到了4 0年代,

6、玻璃纖維開始占 增強材料的絕大多數(shù)。在此后相當長一段時期里，用玻璃纖 維作增強材料的復合材料（即玻璃鋼）仍然占主要地位、但 隨著工業(yè)的發(fā)展，不同的時期相繼出現(xiàn)了新的材料，在5 0 年代研制了高模量碳纖維、硼纖維。6 0年代，又改變了玻 璃成分，研究了 s及R型高強玻璃纖維。至I了 7 0年代，先 后又開發(fā)了凱芙拉纖維等。見表下所示。增強材料多品種的 開發(fā)，為復合材料的應用開辟了新的領域和廣闊的途徑。 纖維種類：A玻璃纖維密度:2.45 TOC o 1-5 h z 拉伸強度極限GPa :3.1拉伸膜量GPa :72比拉伸強度GPa :1.26比膜量GPa:29纖維種類：E玻璃纖維密度:2.56拉

7、伸強度極限GPa :3.6拉伸膜量GPa:76比拉伸強度GPa :1.40比膜量GPa:29纖維種類：r_玻璃纖維密度:2.58拉伸強度極限GPa :4.4拉伸膜量GPa :85比拉伸強度GPa :1.70比膜量GPa:33纖維種類：S_玻璃纖維 密度:2.49拉伸強度極限GPa :4.9拉伸膜量GPa :86比拉伸強度GPa :1.8比膜量GPa:34纖維種類：型高模量碳纖維密度:1.87拉伸強度極限GPa :2.1拉伸膜量GPa :330比拉伸強度GPa :1.12比膜量GPa :176纖維種類：II型高強度碳纖維密度：1.76拉伸強度極限GPa :2.6拉伸膜量GPa :235比拉伸強度

8、GPa :1.48比膜量GPa :133纖維種類：聚芳香酰胺纖維kevlar-29 密度:1.44 TOC o 1-5 h z 拉伸強度極限GPa :2.76拉伸膜量GPa :58比拉伸強度GPa :1.92比膜量GPa:10纖維種類：聚芳香酰胺纖維kevlar-29 密度:1.45拉伸強度極限GPa :2.94拉伸膜量GPa :130比拉伸強度GPa :2.03比膜量GPa:90纖維種類：劍麻密度:13拉伸強度極限GPa :0.8拉伸膜量GPa:-比拉伸強度GPa :0.61比膜量GPa:-纖維種類：硼纖維密度:2.62拉伸強度極限GPa :3.4拉伸膜量GPa :344比拉伸強度GPa :

9、130比膜量GPa :130纖維種類：碳化硅纖維密度:2.55拉伸強度極限GPa :3.0拉伸膜量GPa :2000比拉伸強度GPa :比膜量GPa :玻璃鋼!復合材料的力學性能具有明顯的方向性,這是與金 屬材料不同的。金屬材料，不論在田可方向，強度和彈性模 量幾乎完全相同。而對于木材、玻璃鋼等,沿纖維方向的強 度和彈性模量就比垂直于纖維方向上的要高得多。象金屬那 樣強度不隨方向變化而變化的材料稱為各向同性材料，而象 玻璃鋼、木林 鋼筋混凝土等，它們的強度隨方向不同而變 化，稱它們是各向異性材料。玻璃鋼等人造的復合材料還可 以人為地變化纖維方向和數(shù)量來達到某種特定的強度要求。 例如,我們采用1

10、:1玻璃布（指經向纖維和緯向纖維量為 1:1）制造的玻璃鋼,其經向和緯向強度幾乎是相等的。 但在其它方向上強度則較低,如在4 5弋方向上強度比經、緯向強度1/2還要低見下表：性能0C 15C 30C 45C 60C 75C 90C拉伸強度MPa比例極限178 8450 4550 80 16拉伸強度MPa破壞強度269 210 173158 163 194263拉伸彈性模量（GPa） 16.7 13.311.1 10 11.1 12.515.2伸長率1.6 2.5 4.8 4.8 4.5 2.6 1.9如果我們采用經向和緯向纖維量為$# ”的玻璃布制成環(huán)氧玻 璃鋼,它們經向和緯向纖維量差別較大，

11、因此在這兩個方向 上的拉伸、壓縮、扭轉強度都大不相同，如下表所列。性能拉伸拉伸壓縮壓縮扭轉扭轉 性能 經向緯向 經向緯向 經向緯向極限強度MPa373142.43102306743彈性模量MPa261224132.92.9泊松比 0.200.100.24 0.12強度的概念前面已經講過，它是指材料破壞時,物體內的最 大應力值,按照受力情況可分為拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、 剪切等。如圖下圖所示矩形桿的受力狀態(tài)稱為拉伸。此時我們取拉伸 荷載等于P ,桿的橫斷面積為F ,那么拉伸應力就等于。二 P / F如果桿件在拉伸到破壞時的荷載（稱為最大荷載或極限荷 載）為P B ,則材料的極限強度,即拉伸強度。

12、B等于 oB = P B / F超過極限強度桿件就要破壞,所以又稱它為破壞強度。材料在初始受力時Z有一段時間內它的應力。與其應變（受拉伸長變形與原長度之比）成正比，我們稱它為彈性階 段。彈性階段的最大應力值，稱為比例極限。材料在比例極 限內是不會破壞的。所以，也常稱之為設計強度。在彈性階段，應力!和應變”成正比變成等式后加進一個常 數(shù)！,就是彈性模數(shù),是常數(shù)值,它只與材料有關：o= E S （ 2 - 3 ）不同的材料，當應力O 走時，彈性模量E大，應變就 ??；彈性模量E小，應變就大。這說明常數(shù)E是反映材料 抵抗變形能力大小的參數(shù)。若把截面積F的大小也考慮在 內，那么E F又稱為抗拉剛度。用剛

13、度概念來具體說明該構 件抵抗抗伸變形的能力就更全面了。當圖2 - 2構件上作用的是與它相反方向荷載時。這時構件 就受壓縮,見圖2 - 3所示。構件受壓縮時也有應力、應變、強度、彈性模量、剛度等， 其定義和拉伸時一樣，只是荷載方向相反而已。值得注意的是人們常常有一種誤解，認為資料中所列舉的強 度數(shù)據就是實際構件的強度數(shù)據。其實這兩者截然不同,差 異較大。例如手糊聚酯玻璃鋼板,小試件抗伸強度可達2 0 0-25 OMP a z而在同樣原材料的3m* 9m的大型構 件上取下一塊試樣，它的抗伸強度只有10 OMP ae這是 因為兩者的制造操作條件不同，大塊板工藝條件不如小試件 那樣理想。因此，在采用各類資料、書籍所給出的強度數(shù)據 時，一定要注意你所設計的構件工藝制造條件和一般小試件 之間的差異，否則將會出現(xiàn)問題。此外,還要注意玻璃鋼/復合材料層間強度和彈性模量低的 特點。層間是薄弱環(huán)節(jié)，因為層間沒有增強纖維，所以它的 層間剪切和層間抗伸強度都較低,充其量也只是樹脂本身的 強度。這個特點告誡人們在設計和制造玻璃鋼制品時”除工 藝制造時盡量使布層