Композит, армированный волокном - Fiber-reinforced composite

Армированный волокнами композитный (FRC) представляет собой композитный строительный материал , который состоит из трех компонентов:

  1. волокна в виде прерывистой или дисперсной фазы,
  2. матрица как непрерывная фаза, и
  3. мелкая межфазная область, также известная как граница раздела.

Это разновидность передовой композитной группы, в которой в качестве ингредиентов используются рисовая шелуха, рисовая шелуха, рисовая оболочка и пластик. Эта технология включает в себя метод очистки, смешивания и компаундирования натуральных волокон из потоков целлюлозных отходов с образованием высокопрочного волокнистого композитного материала в полимерной матрице. Обозначенными отходами или основным сырьем, используемыми в этом случае, являются отходы термопластов и различные категории целлюлозных отходов, включая рисовую шелуху и опилки.

Армированный волокном композит

Вступление

FRC - это высокоэффективный волокнистый композит, который стал возможен благодаря сшивке молекул целлюлозного волокна со смолами в матрице материала FRC посредством запатентованного процесса молекулярной реинжиниринга, в результате чего получается продукт с исключительными структурными свойствами.

Благодаря этому подвигу молекулярной реинжиниринга выбранные физические и структурные свойства древесины успешно клонируются и передаются продукту FRC, в дополнение к другим важным характеристикам, обеспечивающим превосходные характеристики по сравнению с современной древесиной.

Этот материал, в отличие от других композитов, можно перерабатывать до 20 раз, что позволяет повторно использовать лом FRC снова и снова.

Механизмы разрушения в материалах FRC включают расслоение , внутриламинарное растрескивание матрицы, продольное расщепление матрицы, расслоение волокна / матрицы, вырывание волокна и разрыв волокна.

Разница между древесно-пластиковым композитом и композитом, армированным волокном:

Функции Пластиковые пиломатериалы Древесно-пластиковый композит FRC Древесина
Перерабатываемый да Нет да да
Строительство Дома Нет Нет да да
Впитывание воды 0,00% 0,8% и выше 0,3% и ниже 10% и выше

Характеристики

Предел прочности ASTM D 638 15,9 МПа
Предел прочности при изгибе ASTM D 790 280 МПа
Модуль упругости при изгибе ASTM D 790 1582 МПа
Отказ нагрузки ASTM D 1761 1,5 кН - 20,8 кН
Прочность на сжатие 20,7 МПа
Тепловая реверсия BS EN 743: 1995 0,45%
Впитывание воды ASTM D 570 0,34%
Термит устойчивый Метод испытаний FRIM 3,6

Основные принципы

Соответствующее «среднее» свойств отдельных фаз, которые будут использоваться при описании поведения композита при растяжении, можно пояснить со ссылкой на рис. 6.2. Хотя

на этом рисунке показан пластинчатый композит, следующие результаты в равной степени применимы к волокнистым композитам, имеющим аналогичное расположение фаз. Две фазы

Материал рис. 6.2 состоит из ламелей и фаз толщиной а . и соответственно. Таким образом, объемные доли фаз ( , ) равны и .

Случай I: одно и то же напряжение, другое напряжение

Растягивающая сила F приложена перпендикулярно широким граням (размеры Lx L) фаз. В этом устройстве напряжение, воспринимаемое каждой из фаз (= F / ), одинаково, но напряжения ( , ), которые они испытывают, различны. композитная деформация представляет собой средневзвешенное значение деформаций отдельных фаз.

,

Общее удлинение композита получается как

а составная деформация равна, = = =

Композитный модуль

Случай II: разное напряжение, одинаковое напряжение

Волокна, которые выровнены параллельно оси растяжения, деформации в обеих фазах равны (и такие же, как и деформация композита), но внешняя сила разделена

неравномерно между фазами.

Деформационное поведение

Когда волокно выровнено параллельно направлению матрицы и приложена нагрузка, как в случае деформации. Волокна и матрица имеет объемную долю , ; подчеркнуть , ; штамм , ; и модуль , . А здесь = = . Одноосный деформационный отклик волокнистого композита можно разделить на несколько этапов.

На этапе 1, когда волокно и матрица упруго деформируются, соотношение напряжения и деформации определяется следующим образом:

На этапе 2, когда напряжение для волокна больше, чем предел текучести, матрица начинает пластически деформироваться, а волокно остается эластичным, соотношение напряжения и деформации выглядит следующим образом:

На этапе 3, когда матрица и волокно пластически деформируются, соотношение напряжения и деформации определяется следующим образом:

Поскольку некоторые волокна не деформируются постоянно до разрушения, стадия 3 не может наблюдаться в некоторых композитах.

На этапе 4, когда волокно уже разрушилось, а матрица все еще пластически деформируется, соотношение напряжения и деформации будет

Однако это не совсем так, поскольку вышедшие из строя волокна все еще могут нести некоторую нагрузку.

Армирование прерывными волокнами

Для прерывистых волокон (также известных как «усы», в зависимости от длины) растягивающая сила передается от матрицы к волокну посредством сдвиговых напряжений, которые возникают вдоль границы раздела между волокном и матрицей.

Матрица имеет смещение равное нулю в средней точке волокна и максимуму на концах относительно волокна вдоль границы раздела. Смещение вызывает межфазное напряжение сдвига , которое уравновешивается растягивающим напряжением волокна . - диаметр волокна, а - расстояние от конца волокна.

После очень небольшой деформации величина напряжения сдвига на конце волокна становится большой. Это приводит к двум ситуациям: расслоение волокна и матрицы или матрица, имеющая пластический сдвиг.

Если матрица имеет пластический сдвиг: межфазное напряжение сдвига . Кроме того, существует критическая длина, которая , после определенного момента , остается постоянной и равна напряжению в состоянии равной деформации.

Соотношение сторон называется «критическим соотношением сторон». Он увеличивается с напряжением композита . Чтобы средняя точка волокна подвергалась напряжению до состояния равной деформации при разрыве композита, его длина должна быть не менее .

Затем рассчитайте среднее напряжение. Доля несущего напряжения длины волокна составляет . Оставшаяся фракция несет среднее напряжение .

Для среднего напряжения с .

Составное напряжение изменяется следующим образом:

В приведенных выше уравнениях предполагалось, что волокна выровнены по направлению нагрузки. Модифицированное правило смесей можно использовать для прогнозирования прочности композита, включая коэффициент эффективности ориентации, который учитывает снижение прочности из-за смещения волокон.

где - коэффициент полезного действия волокна, равный для , и для . Если волокна идеально выровнены с направлением нагрузки, это 1. Однако общие значения для произвольно ориентированного составляют примерно 0,375 для плоского двумерного массива и 0,2 для трехмерного массива.

Значительное армирование может быть обеспечено прерывными волокнами при условии, что их длина намного больше, чем (обычно) небольшие критические длины. Такие как MMC.

Если есть отслоение волокна от матрицы. заменяется напряжением трения, где - коэффициент трения между матрицей и волокном, а - внутреннее давление.

Это происходит с большинством композитов на основе смол.

Композиты с волокнами меньшей длины вносят небольшой вклад в прочность. Однако при разрыве композита короткие волокна не ломаются. Вместо этого их вытаскивают из матрицы. Работа, связанная с вытягиванием волокна, является дополнительным компонентом работы разрушения и имеет большой вклад в ударную вязкость.

Заявление

На рынке также есть приложения, в которых используются только отходы. Чаще всего его используют для настилов на открытом воздухе, но его также используют для изготовления перил, заборов, садовой древесины, облицовки и сайдинга, парковых скамеек, карниза и отделки, оконных и дверных рам, а также внутренней мебели. См., Например, работу организации Waste for Life , которая сотрудничает с кооперативами по вывозу мусора для создания армированных волокном строительных материалов и решения бытовых проблем из отходов, которые собирают их члены: Домашняя страница Waste for Life

Смотрите также

Рекомендации

3. Томас Х. Кортни. «Механическое поведение материалов». 2-е изд. Waveland Press, Inc. 2005. ISBN  1-57766-425-6