Композит, армированный волокном

Примеры и перспективы в этой статье могут не включать все важные точки зрения . Пожалуйста, доработайте статью или обсудите проблему . ( Декабрь 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Армированный волокнами композитный (FRC) представляет собой композитный строительный материал , который состоит из трех компонентов: ^{[1] [2]}

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.

Композит, армированный волокном

Введение [ править ]

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 избранные 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, может быть переработан 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, выдергивание волокна и разрыв волокна. ^[1]

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

Свойства [ править ]

Основные принципы [ править ]

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

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

Материал рис. 6.2 состоит из ламелей и фаз толщиной а . и соответственно. Таким образом, объемные доли ( , ) фаз равны и .${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle l _ {\ alpha}}$${\ displaystyle l _ {\ beta}}$${\ displaystyle V _ {\ alpha}}$${\ displaystyle V _ {\ beta}}$${\ displaystyle V _ {\ alpha} = {\ frac {l _ {\ alpha}} {l _ {\ alpha} + l _ {\ beta}}}}$${\displaystyle V_{\beta }={\frac {l_{\beta }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}}$

Случай I: одно и то же напряжение, другое напряжение

Растягивающая сила F приложена перпендикулярно широким граням (размеры Lx L) фаз. В этой схеме напряжение, воспринимаемое каждой из фаз (= F / ), одинаково, но напряжения ( , ), которые они испытывают, различны. композитная деформация представляет собой средневзвешенное значение деформаций отдельных фаз. ${\displaystyle L^{2}}$${\displaystyle \varepsilon _{\alpha }}$${\displaystyle \varepsilon _{\beta }}$

${\displaystyle \vartriangle l_{\alpha }=\varepsilon _{\alpha }l_{\alpha }}$, ${\displaystyle \vartriangle l_{\beta }=\varepsilon _{\beta }l_{\beta }}$

Полное удлинение композита получается как${\displaystyle \vartriangle l_{c}}$${\displaystyle \vartriangle l_{c}=N\vartriangle l_{\alpha }+N\vartriangle l_{\beta }}$

а составная деформация равна, = = =${\displaystyle \varepsilon _{c}}$${\displaystyle \varepsilon _{c}}$${\displaystyle {\frac {\vartriangle l_{c}}{N(l_{\alpha }+l_{\beta })}}}$${\displaystyle V_{\alpha }\varepsilon _{\alpha }+V_{\beta }\varepsilon _{\beta }}$${\displaystyle \sigma {\biggl (}{\frac {V_{\alpha }}{E_{\alpha }}}+{\frac {V_{\beta }}{E_{\beta }}}{\biggr )}}$

Композитный модуль ${\displaystyle E_{c}={\frac {E_{\alpha }E_{\beta }}{V_{\alpha }E_{\beta }+V_{\beta }E_{\alpha }}}}$

Случай II: разное напряжение, одинаковое напряжение

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

неравномерно между фазами. ${\displaystyle F=F_{\alpha }+F_{\beta }=NL(\sigma _{\alpha }l_{\alpha }+\sigma _{\beta }l_{\beta })}$

${\displaystyle \sigma _{c}=\left({\frac {\sigma _{\alpha }l_{\alpha }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}+{\frac {\sigma _{\beta }l_{\beta }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}\right)=\sigma _{\alpha }V_{\alpha }+\sigma _{\beta }V_{\beta }}$

${\displaystyle E_{c}=V_{\alpha }E_{\alpha }+V_{\beta }E_{\beta }}$

Деформационное поведение [ править ]

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.${\displaystyle V_{f}}$${\displaystyle V_{m}}$${\displaystyle \sigma _{f}}$${\displaystyle \sigma _{m}}$${\displaystyle \varepsilon _{f}}$${\displaystyle \varepsilon _{m}}$${\displaystyle E_{f}}$${\displaystyle E_{m}}$${\displaystyle \varepsilon _{f}}$${\displaystyle \varepsilon _{f}}$${\displaystyle \varepsilon _{c}}$

На этапе 1, когда и волокно, и матрица упруго деформируются, соотношение напряжения и деформации равно${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}E_{f}\varepsilon _{f}+V_{m}E_{m}\varepsilon _{m}=\varepsilon _{c}(V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m})}$

${\displaystyle E_{c}=V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m}}$

На этапе 2, когда напряжение для волокна больше, чем предел текучести, матрица начинает пластически деформироваться, а волокно по-прежнему эластично, соотношение напряжения и деформации

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}E_{f}\varepsilon _{f}+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})=V_{f}E_{f}\varepsilon _{c}+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{c})}$

${\displaystyle E_{c}=V_{f}E_{f}+V_{m}\left({\frac {d\sigma _{m}}{d\varepsilon _{c}}}\right)}$

На этапе 3, когда матрица и волокно пластически деформируются, соотношение напряжения и деформации

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon _{f})+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})=V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{c})}$

${\displaystyle E_{c}=V_{f}\left({\frac {d\sigma _{f}}{d\varepsilon _{c}}}\right)+V_{m}\left({\frac {d\sigma _{m}}{d\varepsilon _{c}}}\right)}$

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

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})}$

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

Армирование прерывными волокнами [ править ]

Для прерывистых волокон (также известных как усы, в зависимости от длины) растягивающая сила передается от матрицы к волокну посредством касательных напряжений, которые развиваются вдоль границы раздела волокно-матрица.

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 напряжением растяжения волокна . - диаметр волокна, а - расстояние от конца волокна.${\displaystyle \tau _{m}}$${\displaystyle \sigma _{f}}$${\displaystyle df}$${\displaystyle x}$

${\displaystyle \tau _{m}(\pi d_{f})dx=\left({\frac {\pi d_{f}^{2}}{4}}\right)d\sigma _{f}}$

${\displaystyle {\frac {d\sigma _{f}}{dx}}={\frac {4\tau _{m}}{d_{f}}}}$

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.${\displaystyle \tau _{m}\leq \tau _{my}}$${\displaystyle l_{c}}$${\displaystyle l>l_{c}}$${\displaystyle x}$${\displaystyle \sigma _{f}}$

${\displaystyle \sigma _{f}(\varepsilon _{c})=2{\frac {\tau _{my}l_{c}}{d_{f}}}}$

${\displaystyle {\frac {l_{c}}{d_{f}}}={\frac {\sigma _{f}(\varepsilon _{c})}{2\tau _{my}}}}$

Соотношение сторон называется «критическим соотношением сторон». Он увеличивается с напряжением композита . Для того чтобы средняя точка волокна была напряжена до состояния равной деформации при разрыве композита, его длина должна быть не менее .${\displaystyle {\frac {l_{c}}{d_{f}}}}$${\displaystyle \varepsilon _{c}}$${\displaystyle d_{f}\sigma _{f}^{tensile}/2\tau _{my}}$

Затем рассчитайте среднее напряжение. Доля несущего напряжения длины волокна составляет . Оставшаяся фракция несет среднее напряжение .${\displaystyle \sigma _{f}(\varepsilon _{c})}$${\displaystyle {\frac {l-l_{c}}{l}}}$${\displaystyle {\frac {l_{c}}{l}}}$${\displaystyle \sigma _{f}(\varepsilon _{c})/2}$

${\displaystyle {\overline {\sigma }}_{f}=\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left[1-\left({\frac {l_{c}}{l}}\right)\right]+{\frac {1}{2}}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left({\frac {l_{c}}{l}}\right)=\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left[1-\left({\frac {l_{c}}{2l}}\right)\right]\quad l\geq l_{c}}$

Для среднего напряжения с .${\displaystyle l<l_{c}}$${\displaystyle \sigma _{m}ax/2}$${\displaystyle \sigma _{m}ax=2\tau _{my}l/d_{f}}$

${\displaystyle {\overline {\sigma }}_{f}={\frac {1}{2}}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left({\frac {l}{l_{c}}}\right)\quad l\leq l_{c}}$

Составное напряжение изменяется следующим образом:

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left[1-\left({\frac {l_{c}}{2l}}\right)\right]+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})\quad l\geq l_{c}}$

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left({\frac {l}{2l_{c}}}\right)+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})\quad l\leq l_{c}}$

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. ^[3]${\displaystyle \eta _{0}}$

${\displaystyle \sigma _{c}(\varepsilon )=V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon )+\eta _{0}\eta _{f}V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon )}$

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. ^[3]${\displaystyle \eta _{f}}$${\displaystyle {\frac {l}{2l_{c}}}}$${\displaystyle l\leq l_{c}}$${\displaystyle \left[1-\left({\frac {l_{c}}{2l}}\right)\right]}$${\displaystyle l>l_{c}}$${\displaystyle \eta _{0}}$${\displaystyle \eta _{0}}$

Значительное армирование может быть обеспечено прерывными волокнами, если 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. ${\displaystyle \tau _{my}}$${\displaystyle \mu P}$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle P}$

${\displaystyle {\frac {l_{c}}{d_{f}}}={\frac {\sigma _{f}(\varepsilon _{c})}{2\mu P}}}$

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, добавляет дополнительный компонент к работе разрушения и вносит большой вклад в ударную вязкость.${\displaystyle l_{c}}$

Заявление [ править ]

На рынке также есть приложения, в которых используются только отходы. Чаще всего он используется для настилов на открытом воздухе, но он также используется для изготовления перил, заборов, садовой древесины, облицовки и сайдинга, парковых скамеек, карнизов и отделки, оконных и дверных рам, а также внутренней мебели. См., Например, работу организации « Waste for Life» , которая сотрудничает с кооперативами по вывозу мусора, чтобы создавать армированные волокном строительные материалы и решать бытовые проблемы из отходов, которые собирают их члены: Homepage of Waste for Life

См. Также [ править ]

• Соотношение объема волокна
• Механика разрушения
• Пластиковый композит (значения)
• Пластиковые пиломатериалы
• Древесно-пластиковый композит
• Пластик, армированный волокном

Ссылки [ править ]

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