玻璃鋼力學性能.doc

.玻璃鋼的基本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2900Kg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，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 ） 性能數據： 2.53-2.55 性能： 折射率（25）折射率（25） 性能數據： 1.454-1.549 性能： 拉伸強度（MPa)） 性能數據： 100-300 性能：介電常數102赫茲 性能數據： 赫茲 性能： 拉伸彈性模量（MPa） 性能數據： 7000 性能： 介電常數 106赫茲 性能數據： 6.32 性能： 斷裂時的伸長率（% ） 性能數據： 1.5-4 性能： 介電常數 1010赫茲 性能數據： 6.11 性能 性能數據 性能 性能數據 泊松比（塊玻璃） 0.22 正切損失 102赫茲 0.0042 線膨脹系數-1 4.8*10-4 正切損失 1010赫茲 0.006 比熱KJ/(Kg/.K) 0.80 體積電阻（cm ） 體積電阻（cm ） 1011-1013 導熱系數W/mK） 1.0 聲速 聲速5500 軟化溫度（） 850玻璃鋼中常用的玻璃纖維直徑是。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18 ，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 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:（一）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，但在垂直纖維方向上，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（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。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，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。到了年代，玻璃纖維開始占增強材料的絕大多數。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，在年代研制了高模量碳纖維、硼纖維。年代，又改變了玻璃成分，研究了及型高強玻璃纖維。到了年代，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 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： I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 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：1.3 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 ： 1.30 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，不論在任何方向，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、木材、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量來達到某種特定的強度要求。例如，我們采用：玻璃布（指經向纖維和緯向纖維量為：）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，如在方向上強度比經、緯向強度還要低見下表：性能 0 15 30 45 60 75 90 拉伸強度MPa比例極限 178 84 50 45 50 80 160 拉伸強度MPa 破壞強度 269 210 173 158 163 194 263 拉伸彈性模量（GPa） 16.7 13.3 11.1 10 11.1 12.5 15.2 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，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MPa 373 142.4 310 230 67 43 彈性模量MPa 26 12 24 13 2.9 2.9 泊松比 0.20 0.10 0.24 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，桿的橫斷面積為，那么拉伸應力就等于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，則材料的極限強度，即拉伸強度等于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，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!，就是彈性模數，是常數值，它只與材料有關：（）不同的材料，當應力一定時，彈性模量大，應變就??；彈性模量小，應變就大。這說明常數是反映材料抵抗變形能力大小的參數。若把截面積的大小也考慮在內，那么又稱為抗拉剛度。用剛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據就是實際構件的強度數據。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，而在同樣原材料的的大型構件上取下一塊試樣，它的抗伸強度只有。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