玻璃鋼力學性能

玻璃鋼的基天性能——力學性能玻璃鋼的力學性能突出的一點是比強度高，這是金屬資料和其余資料沒法對比的。這里，我們要提一下強度的觀點。強度往常是指單位面積所能承受的最大荷載，超過這個荷載，資料就損壞了。強度又分為拉伸強度、壓縮強度、曲折強度和剪切強度。比如說聚酯玻璃鋼抗拉強度290MPa，是指每平方厘米截面可承受2900Kg的拉力。玻璃鋼輕質高強的性能，根源于較低的樹脂密度（澆鑄體密度左右）以及玻璃纖維的高抗伸強度（一般鋼材的5倍以上）。玻璃鋼的密度跟著樹脂含量的不一樣而有所不一樣。從高樹脂含量的玻璃氈制品到低樹脂含量的玻璃鋼環(huán)繞制品（密度），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(jīng)高溫熔融、迅速拉成細絲時，因為比表面積增大，玻璃纖維內部及表面就難以存在大缺點，所以玻璃纖維的強度就特別高，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(jù)：性能：折射率（25℃）折射率（25℃）性能數(shù)據(jù)：性能：拉伸強度（MPa)）性能數(shù)據(jù)：100-300性能：介電常數(shù)赫茲性能數(shù)據(jù)：赫茲性能：拉伸彈性模量（MPa）性能數(shù)據(jù)：7000性能：介電常數(shù)赫茲性能數(shù)據(jù)：性能：斷裂時的伸長率（%）性能數(shù)據(jù)：性能：介電常數(shù)1010赫茲性能數(shù)據(jù)：性能性能數(shù)據(jù)性能性能數(shù)據(jù)泊松比（塊玻璃）正切損失102赫茲線膨脹系數(shù)℃-1*10-4正切損失1010赫茲比熱〔KJ/(Kg/.K)〕體積電阻（Ω·cm）體積電阻（Ω·cm）1011-1013導熱系數(shù)〔W/m·K）〕聲速ｍ／ｓ聲速ｍ／ｓ5500融化溫度（℃）850玻璃鋼中常用的玻璃纖維直徑是８－１３μｍ。最近幾年來各國所用的玻璃纖維趨勢于向粗直徑發(fā)展，通用的是１３～18μｍ，采納池窯拉絲。采納粗直徑纖維既不影響玻璃鋼的性能，纖維的產(chǎn)量又能夠大幅度提升（因為產(chǎn)量和直徑成平方關系）。也有采納直徑２０μｍ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。從下表所得的各樣纖維強度比較來看，玻璃纖維的強度是相當高的。性能：拉伸強度MPa羊毛：-棉紗：亞麻：35尼龍：30-60生絲：44玻纖：100-300鋼：50-200性能：延長率%羊毛：24-28棉紗：6-12亞麻：-尼龍：15-40生絲：15-86玻纖：鋼：-玻璃纖維可按三種方向擺列:（一）單向纖維加強的玻璃鋼這一類玻璃鋼，玻璃纖維定向擺列在一個方向，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１０００ＭＰａ，但在垂直纖維方向上，其強度很低。只有嚴格的單向受力狀況下，才使用這種玻璃鋼。其纖維體積含量能夠高達６０％．（二）雙向纖維加強的玻璃鋼這種玻璃鋼是用雙向織物鋪展的，其玻璃纖維體積含量可達５０％。在兩個正交的纖維方向上，有較高的強度。它合用于矩形的平板或薄殼構造物。（三）準各向同性玻璃鋼這種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靠近，纖維體積含量一般小于３０％，合用于強度、剛度要求不高或荷載不很清楚而只好要求各向同性的產(chǎn)品。在玻璃鋼／復合資猜中，力學性能在相當大的程度上取決于加強資料，有人把它比做是資料的筋骨。古代加強資料主假如麻和棉纖維以及絲綢類。到了４０年月，玻璃纖維開始占加強資料的絕大部分。在今后相當長一段時期里，用玻璃纖維作加強資料的復合資料（即玻璃鋼）仍舊占主要地位、但跟著工業(yè)的發(fā)展，不同的時期接踵出現(xiàn)了新的資料，在５０年月研制了高模量碳纖維、硼纖維。６０年代，又改變了玻璃成分，研究了Ｓ及Ｒ型高強玻璃纖維。到了７０年月，先后又開發(fā)了凱芙拉纖維等。見表下所示。加強資料多品種的開發(fā)，為復合資料的應用開拓了新的領域和廣闊的門路。纖維種類：A—玻璃纖維密度：拉伸強度極限GPa：拉伸膜量GPa：72比拉伸強度GPa：比膜量GPa：29纖維種類：E—玻璃纖維密度：拉伸強度極限GPa：拉伸膜量GPa：76比拉伸強度GPa：比膜量GPa：29纖維種類：R—玻璃纖維密度：拉伸強度極限GPa：拉伸膜量GPa：85比拉伸強度GPa：比膜量GPa：33纖維種類：S—玻璃纖維密度：拉伸強度極限GPa：拉伸膜量GPa：86比拉伸強度GPa：比膜量GPa：34纖維種類：I型高模量碳纖維密度：拉伸強度極限GPa：拉伸膜量GPa：330比拉伸強度GPa：比膜量GPa：176纖維種類：II型高強度碳纖維密度：拉伸強度極限GPa：拉伸膜量GPa：235比拉伸強度GPa：比膜量GPa：133纖維種類：聚芬芳酰胺纖維kevlar-29密度：拉伸強度極限GPa：拉伸膜量GPa：58比拉伸強度GPa：比膜量GPa：10纖維種類：聚芬芳酰胺纖維kevlar-29密度：拉伸強度極限GPa：拉伸膜量GPa：130比拉伸強度GPa：比膜量GPa：90纖維種類：劍麻密度：拉伸強度極限GPa：拉伸膜量GPa：-比拉伸強度GPa：比膜量GPa：-纖維種類：硼纖維密度：拉伸強度極限GPa：拉伸膜量GPa：344比拉伸強度GPa：比膜量GPa：130纖維種類：碳化硅纖維密度：拉伸強度極限GPa：拉伸膜量GPa：2000比拉伸強度GPa：比膜量GPa：玻璃鋼!復合資料的力學性能擁有顯然的方向性，這是與金屬資料不一樣的。金屬材料，無論在任何方向，強度和彈性模量幾乎完整相同。而關于木材、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資料稱為各向同性資料，而象玻璃鋼、木材、鋼筋混凝土等，它們的強度隨方向不一樣而變化，稱它們是各向異性資料。玻璃鋼等人造的復合資料還能夠人為地變化纖維方向和數(shù)目來達到某種特定的強度要求。比如，我們采納１：１玻璃布（指經(jīng)向纖維和緯向纖維量為１：１）制造的玻璃鋼，其經(jīng)向和緯向強度幾乎是相等的。但在其余方向上強度則較低，如在４５℃方向上強度比經(jīng)、緯向強度１／２還要低．見下表：性能0℃15℃30℃45℃60℃75℃90℃拉伸強度MPa比率極限拉伸強度MPa損壞強度拉伸彈性模量（GPa）10伸長率%假如我們采納經(jīng)向和緯向纖維量為$#"的玻璃布制成環(huán)氧玻璃鋼，它們經(jīng)向和緯向纖維量差異較大，所以在這兩個方向上的拉伸、壓縮、扭轉強度都大不相同，以下表所列。性能拉伸拉伸壓縮壓縮扭轉扭轉性能經(jīng)向緯向經(jīng)向緯向經(jīng)向緯向極限強度MPa3733102306743彈性模量MPa26122413泊松比強度的觀點前面已經(jīng)講過，它是指資料損壞時，物體內的最大應力值，依據(jù)受力情況可分為拉伸、壓縮、曲折、扭轉、剪切等。如圖下列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σ＝Ｐ／Ｆ假如桿件在拉伸到損壞時的荷載（稱為最大荷載或極限荷載）為ＰＢ，則資料的極限強度，即拉伸強度σＢ等于σＢ＝ＰＢ／Ｆ超出極限強度桿件就要損壞，所以又稱它為損壞強度。資料在初始受力時，有一段時間內它的應力σ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，稱為比率極限。材料在比率極限內是不會損壞的。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?yōu)榈仁胶蠹舆M一個常數(shù)!，就是彈性模數(shù)，是常數(shù)值，它只與資料相關：σ＝ＥＳ（２－３）不一樣的資料，當應力σ一準時，彈性模量Ｅ大，應變ε就小；彈性模量Ｅ小，應變就ε大。這說明常數(shù)Ｅ是反應資料抵擋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ＥＦ又稱為抗拉剛度。用剛度觀點來詳細說明該構件抵擋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，其定義和拉伸時相同，不過荷載方向相反而已。值得注意的是人們經(jīng)常有一種誤會，以為資猜中所列舉的強度數(shù)據(jù)就是實質構件的強度數(shù)據(jù)。其實這二者截然相反，差異較大。比如手糊聚酯玻璃鋼板，小試件抗伸強度可達２００－２５０ＭＰａ，而在相同原資料的３ｍ＊９ｍ的大型構件上取下一塊試樣，它的抗伸強度只有１００ＭＰａ。這是因為二者的制造操作條件不一樣，大塊板工藝條件不如小試件那樣理想。所以，在采納各種資料、書本所給出的強度數(shù)據(jù)時，必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，不然將會出現(xiàn)問題。別的，還要注意玻璃鋼/復合資料層間強度和彈性模量低的特色。層間是單薄環(huán)節(jié)，因為層間沒有加強纖維，所以它的層間剪切和層間抗伸強度都較低，充其量也不過樹脂自己的強度。這個特色勸告人們在設計和制造玻璃鋼制品時，除工藝制造時盡