玻璃鋼力學(xué)性能

1、玻璃鋼的基本性能 力學(xué)性能 玻璃鋼的力學(xué)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(zhì)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/

2、4-1/5 ,比鋁還輕 1/3 左 右。玻璃經(jīng)高溫熔融、快速拉成細絲時,由于比表面積增大,玻璃纖維內(nèi)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(shù)據(jù)：2.53-2.55性能：折射率（ 25C）折射率（ 25C）性能數(shù)據(jù)：1.454-1549性能：拉伸強度（ MPa）性能數(shù)據(jù)：100-300性能：介電常數(shù)102 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)106 赫茲性能數(shù)據(jù)：6.32性能：斷裂時的伸長率（ % ）性能數(shù)據(jù)：1.5-4性能：介電常數(shù)1010 赫茲性能數(shù)

3、據(jù)：6.11性能性能數(shù)據(jù)性能 性能數(shù)據(jù)正切損失 102 赫茲 0.0042正切損失 1010 赫茲 0.006泊松比（塊玻璃） 0.22線膨脹系數(shù)C -1 4.8*10-4比熱 KJ/（Kg/.K） 0.801011-1013導(dǎo)熱系數(shù)W/m K1.0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8-13卩m。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13 78卩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(chǎn)量又可以大幅度 提高（因為產(chǎn)量和直徑成平方關(guān)系）。也有采用直徑20卩m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

4、，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1 0 0 0 MPa，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

5、用這類玻璃鋼。其纖維體積含量可以高達6 0%.（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(jié)構(gòu)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(chǎn)品。在玻璃鋼/復(fù)合材料 中，力學(xué)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，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

6、璃纖維作增強材料的復(fù)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 相繼岀現(xiàn)了新的材料，在5 0年代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(fù)合材料的應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)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

7、 ：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

8、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 GP

9、a ： 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(fù)合材料的力學(xué)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(fù)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1:1玻璃

10、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。但在其它方向上強度 則較低，如在4 5C方向上強度比經(jīng)、緯向強度1/2還要低見下表：性能0C 15 C 30 C 45 C 60 C 75 C 90 C拉伸強度 MPa比例極限 178 8450 4550 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(jīng)向和緯向纖維量為 $# 的玻璃布制成環(huán)氧玻璃鋼

11、，它們經(jīng)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(zhuǎn)強度都大不相同，如下表所列。性能拉伸 拉伸 壓縮 壓縮 扭轉(zhuǎn) 扭轉(zhuǎn)性能經(jīng)向緯向經(jīng)向緯向經(jīng)向緯向極限強度 MPa373142.43102306743彈性模量 MPa261224132.92.9泊松比 0.20 0.10 0.24 0.12 強度的概念前面已經(jīng)講過，它是指材料破壞時，物體內(nèi)的最大應(yīng)力值，按照受力情況可分為拉伸、壓 縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、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?nèi)±旌奢d等于P,桿的橫斷面積為F,那么拉伸 應(yīng)力就等于（t=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PE,則

12、材料的極限強度，即拉伸強度 uE等于（tB = PB/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,有一段時間內(nèi)它的應(yīng)力u 與其應(yīng)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(yīng)力值,稱為比例極限。材料在比例極限內(nèi)是不會破壞的。所以,也 常稱之為設(shè)計強度。在彈性階段,應(yīng)力 ! 和應(yīng)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(guān)：(t=ES(2 3)不同的材料，當應(yīng)力 b 定時，彈性模量E大，應(yīng)變就?。粡椥阅Ａ縀小，應(yīng)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(nèi)，那么EF又

13、稱為抗拉剛 度。用剛度概念來具體說明該構(gòu)件抵抗抗伸變形的能力就更全面了。當圖22構(gòu)件上作用的是與它相反方向荷載時。這時構(gòu)件就受壓縮，見圖23所示。 構(gòu)件受壓縮時也有應(yīng)力、應(yīng)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(jù)就是實際構(gòu)件的強度數(shù)據(jù)。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200 250 MPa，而在同 樣原材料的3m*9m的大型構(gòu)件上取下一塊試樣，它的抗伸強度只有10 0MPa。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(jù)時，一定要注意你所設(shè)計的構(gòu)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(fù)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