Композит, армированный волокном - Fiber-reinforced composite

А композит, армированный волокнами (FRC) - это 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

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, 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, вырывание волокна и разрыв волокна.^[1]

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

особенности	Пластиковые пиломатериалы	Древесно-пластиковый композит	FRC	Дерево
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

Свойства

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 значение» отдельных фазовых свойств, 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 аналогичное расположение фаз. Две фазы

материал рис. 6.2 состоит из ламелей ${displaystyle alpha }$ и ${displaystyle eta }$ фазы толщины ${displaystyle l_{alpha }}$ и ${displaystyle l_{eta }}$. и соответственно. Таким образом, объемные доли (${displaystyle V_{alpha }}$, ${displaystyle V_{eta }}$) фаз ${displaystyle V_{alpha }={frac {l_{alpha }}{l_{alpha }+l_{eta }}}}$ и ${displaystyle V_{eta }={frac {l_{eta }}{l_{alpha }+l_{eta }}}}$.

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 /${displaystyle L^{2}}$) то же самое, но деформации (${displaystyle varepsilon _{alpha }}$, ${displaystyle varepsilon _{eta }}$) Опыт у них разный. композитная деформация представляет собой средневзвешенное значение деформаций отдельных фаз.

${displaystyle vartriangle l_{alpha }=varepsilon _{alpha }l_{alpha }}$, ${displaystyle vartriangle l_{eta }=varepsilon _{eta }l_{eta }}$

Общее удлинение композита, ${displaystyle vartriangle l_{c}}$ получается как ${displaystyle vartriangle l_{c}=Nvartriangle l_{alpha }+Nvartriangle l_{eta }}$

и составная деформация ${displaystyle varepsilon _{c}}$ является, ${displaystyle varepsilon _{c}}$=${displaystyle {frac {vartriangle l_{c}}{N(l_{alpha }+l_{eta })}}}$=${displaystyle V_{alpha }varepsilon _{alpha }+V_{eta }varepsilon _{eta }}$= ${displaystyle sigma {iggl (}{frac {V_{alpha }}{E_{alpha }}}+{frac {V_{eta }}{E_{eta }}}{iggr )}}$

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

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. ${displaystyle F=F_{alpha }+F_{eta }=NL(sigma _{alpha }l_{alpha }+sigma _{eta }l_{eta })}$

${displaystyle sigma _{c}=left({frac {sigma _{alpha }l_{alpha }}{l_{alpha }+l_{eta }}}+{frac {sigma _{eta }l_{eta }}{l_{alpha }+l_{eta }}}ight)=sigma _{alpha }V_{alpha }+sigma _{eta }V_{eta }}$

${displaystyle E_{c}=V_{alpha }E_{alpha }+V_{eta }E_{eta }}$

Деформационное поведение

Когда волокно выровнено параллельно направлению матрицы и приложена нагрузка, как в случае деформации. Волокно и матрица имеют объемную долю ${displaystyle V_{f}}$, ${displaystyle V_{m}}$; стресс ${displaystyle sigma _{f}}$ , ${displaystyle sigma _{m}}$; напряжение${displaystyle varepsilon _{f}}$,${displaystyle varepsilon _{m}}$; и модуль ${displaystyle E_{f}}$, ${displaystyle E_{m}}$. И здесь ${displaystyle varepsilon _{f}}$=${displaystyle varepsilon _{f}}$=${displaystyle varepsilon _{c}}$. Одноосный деформационный отклик волокнистого композита можно разделить на несколько этапов.

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

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

${displaystyle E_{c}=V_{f}E_{f}+V_{m}left({frac {dsigma _{m}}{dvarepsilon _{c}}}ight)}$

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

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

${displaystyle E_{c}=V_{f}left({frac {dsigma _{f}}{dvarepsilon _{c}}}ight)+V_{m}left({frac {dsigma _{m}}{dvarepsilon _{c}}}ight)}$

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

Для прерывистых волокон (также известных как усы, в зависимости от длины) растягивающее усилие передается от матрицы к волокну посредством касательных напряжений, которые возникают 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 ${displaystyle au _{m}}$ который уравновешивается растягивающим напряжением волокна ${displaystyle sigma _{f}}$. ${displaystyle df}$ - диаметр волокна, а ${displaystyle x}$ расстояние от конца волокна.

${displaystyle au _{m}(pi d_{f})dx=left({frac {pi d_{f}^{2}}{4}}ight)dsigma _{f}}$

${displaystyle {frac {dsigma _{f}}{dx}}={frac {4 au _{m}}{d_{f}}}}$

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 ${displaystyle au _{m}leq au _{my}}$. Тогда есть критическая длина ${displaystyle l_{c}}$ Что, когда ${displaystyle l>l_{c}}$, после определенных ${displaystyle x}$, ${displaystyle sigma _{f}}$ остается постоянным и равным напряжению в состоянии равной деформации.

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

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

Соотношение, ${displaystyle {frac {l_{c}}{d_{f}}}}$ называется «критическим соотношением сторон». Увеличивается при композитной деформации ${displaystyle varepsilon _{c}}$. Чтобы средняя точка волокна была напряжена до состояния равной деформации при разрыве композита, его длина должна быть не менее ${displaystyle d_{f}sigma _{f}^{tensile}/2 au _{my}}$.

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

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

Для ${displaystyle l<l_{c}}$, среднее напряжение ${displaystyle sigma _{m}ax/2}$ с участием ${displaystyle sigma _{m}ax=2 au _{my}l/d_{f}}$.

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

Составное напряжение изменяется следующим образом:

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

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

В приведенных выше уравнениях предполагалось, что волокна выровнены по направлению нагрузки. Модифицированный правило смесей может использоваться для прогнозирования прочности композита, включая коэффициент эффективности ориентации, ${displaystyle eta _{0}}$, что объясняет снижение прочности из-за смещения волокон.^[3]

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

где ${displaystyle eta _{f}}$ - коэффициент полезного действия волокна, равный ${displaystyle {frac {l}{2l_{c}}}}$для ${displaystyle lleq l_{c}}$, и ${displaystyle left[1-left({frac {l_{c}}{2l}}ight)ight]}$для ${displaystyle l>l_{c}}$. Если волокна идеально выровнены по направлению нагрузки ${displaystyle eta _{0}}$ равно 1. Однако общие значения ${displaystyle eta _{0}}$ для случайной ориентации составляют примерно 0,375 для плоского двумерного массива и 0,2 для трехмерного массива.^[3]

Существенное усиление может быть обеспечено прерывными волокнами, если их длина намного больше, чем (обычно) небольшие критические длины. Такие, как MMC.

Если есть отслоение волокна от матрицы. ${displaystyle au _{my}}$ заменяется напряжением трения ${displaystyle mu P}$ где ${displaystyle mu }$ - коэффициент трения между матрицей и волокном, а ${displaystyle P}$ это внутреннее давление.

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

Это происходит с большинством композитов на основе смол.

Композиты с длиной волокон менее ${displaystyle l_{c}}$ мало способствуют укреплению сил. Однако во время разрушения 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.

заявка

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 Отходы на всю жизнь, который сотрудничает с кооперативами по вывозу мусора, чтобы создавать армированные волокном строительные материалы и решать бытовые проблемы из отходов, которые собирают их члены: Домашняя страница Waste for Life

Кроме того, композиты, армированные волокном, находят множество применений в медицине.^[4] и стоматологические^[5] Области применения: армированные волокном материалы долгое время использовались для множества применений в различных областях биоинженерии и биомедицины с захватывающими перспективами применения в будущем.^[6].

Смотрите также

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

использованная литература

1. WJ Cantwell, J Morton (1991). «Ударопрочность композитных материалов - обзор». Композиты. 22 (5): 347–62. Дои:10.1016 / 0010-4361 (91) 90549-В.
2. Сероп Калпакджян, Стивен Р. Шмид. «Технологии производства и технологии». Международное издание. 4-е изд. Prentice Hall, Inc. 2001. ISBN  0-13-017440-8.
3. Собойджо, В. О. (2003). «9.7 Влияние длины усов / волокон на прочность и модуль упругости композита». Механические свойства конструкционных материалов. Марсель Деккер. ISBN  0-8247-8900-8. OCLC  300921090.
4. Райхерт, Алин; Зайденстюкер, Майкл; Гадоу, Райнер; Mayr, Hermann O .; Suedkamp, ​​Norbert P .; Latorre, Sergio H .; Weichand, Partick; Бернштейн, Анке (февраль 2018 г.). «Композит SiC, армированный углеродным волокном (C / SiSiC) как альтернативный материал для эндопротезирования: изготовление, механические и биологические свойства in vitro». Материалы. 11 (2): 316. Дои:10.3390 / ma11020316.
5. Скрибанте, Андреа; Валлитту, Пекка; Лассила, Липпо В. Дж .; Виола, Анналиса; Тессера, Паола; Гандини, Паола; Сфондрини, Мария Франческа (январь 2019 г.). «Влияние длительной чистки щеткой на прогиб, максимальную нагрузку и износ проволоки из нержавеющей стали, а также обычных и точечных композитов, армированных волокном». Международный журнал молекулярных наук. 20 (23): 6043. Дои:10.3390 / ijms20236043.
6. Скрибанте, Андреа; Валлитту, Пекка К .; Озджан, Мутлу (01.11.2018). «Композиты, армированные волокном для стоматологии». BioMed Research International. Получено 2020-11-11.

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