玻璃鋼的基本力學(xué)性能是設(shè)計(jì)玻璃鋼產(chǎn)品所必須掌握的基本資料,在玻璃鋼材料中,玻璃纖維是承受荷載的主要成分,樹(shù)脂的作用是傳遞應(yīng)力和支撐、固定纖維,因此它的力學(xué)性能取決于纖維和樹(shù)脂的力學(xué)性能,取決于它們的含量比、增強(qiáng)方式及這兩種材料之間的界面狀態(tài)。界面狀態(tài)是一個(gè)比較復(fù)雜的影響因素,它對(duì)玻璃鋼性能的影響程度,目前還無(wú)法作出定量評(píng)價(jià)。
玻璃纖維的基本力學(xué)性能
如果不加特別說(shuō)明,我們一般都是討論常溫和靜荷載條件下纖維和樹(shù)脂的力學(xué)性能,如彈性模量、強(qiáng)度極限等。
大家知道,平板玻璃的強(qiáng)度是比較低的,拉伸強(qiáng)度約為69兆帕(700公斤/厘米2),而玻璃纖維的實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)度最高可達(dá)7250兆帕(74000公斤/厘米2),這是由于玻璃纖維只有
很小橫截面積,它存在塊陷(如微裂紋)的可能性要比塊體材料小得多,所以纖維在其長(zhǎng)度方向的強(qiáng)度比塊體材料高得多,表2-1列舉了各種玻璃纖維與A3鋼性能的比較,E玻璃
纖維是無(wú)堿纖維,耐熱性與電絕線性好;S玻璃纖維是高強(qiáng)高彈纖維;C玻璃纖維是中堿纖維;A玻璃纖維是有堿纖維。
纖維的測(cè)試強(qiáng)度以拉斷力計(jì)量,根據(jù)拉斷力的大小計(jì)算拉伸強(qiáng)度,按照支數(shù)定義可以計(jì)算出纖維的橫截面積來(lái):
各種玻璃纖維與A3鋼的性能比較(表2-1)
①系塊玻璃測(cè)驗(yàn)結(jié)果
1克重=支數(shù)×100×橫截面積×密度
橫截面積=1克/支數(shù)×100×密度(厘米2)
(2-1)
知道了橫截面積和拉斷力,就可以計(jì)算撿伸強(qiáng)度:
拉伸強(qiáng)度=拉斷力/橫截面積 (2-2)
纖維強(qiáng)度的測(cè)試要在專門(mén)的小型試驗(yàn)機(jī)上才能進(jìn)行,如果沒(méi)有這種試驗(yàn)機(jī),也可以在小噸位的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,這時(shí)需要將布沿經(jīng)向和緯向裁成25xl100(毫米)的布條試件,只要知道編織布的并股紗的支數(shù)及25毫米寬度上股紗根數(shù)和布條試件的拉斷力,就可以計(jì)算出玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度。
從國(guó)產(chǎn)的玻璃布和股紗所測(cè)得的玻璃纖維強(qiáng)度來(lái)看,高的達(dá)2670兆帕(17000公斤力/厘米2)以上,低的達(dá)1080兆帕(11000公斤力/厘米2), 所以在評(píng)價(jià)玻璃鋼的實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)度時(shí)可以取玻璃纖維的平均拉伸強(qiáng)度為l570兆帕(16000公斤力/厘米2),在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以取980~1270兆帕(10000~13000公斤力/厘米2)為玻璃纖維的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。
玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度不僅和拉絲工藝有密切關(guān)系,而且和纖維直徑與長(zhǎng)度有關(guān),直徑越小,強(qiáng)度越高,當(dāng)直徑大于20微米時(shí),纖維的強(qiáng)度就趨于穩(wěn)定了。長(zhǎng)的纖維比短的纖維強(qiáng)度要低,因?yàn)橹睆酱蟮?,或長(zhǎng)度長(zhǎng)的纖維表面存在的裂紋要多些;玻璃纖維的化學(xué)成分不同,拉伸強(qiáng)度也不同,纖維含堿量越高,強(qiáng)度越低,因?yàn)樗蜐駳獾那治g析堿形成了表面缺陷。
玻璃纖維的彈性模量一般用測(cè)定單向玻璃鋼的彈性模量來(lái)?yè)Q算,也可以用單絲來(lái)測(cè)定,在工程上可以取玻璃纖維的彈性模量為6.9~7.4×104兆帕(7~7.5×105公斤力/厘米2)。
通過(guò)實(shí)驗(yàn),可以繪出玻璃纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖2-1所示,由圖可知,纖維直到斷裂,應(yīng)力和應(yīng)變呈直線關(guān)系,而股紗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)一些曲折,這是因?yàn)楣杉喪芰螅^弱的纖維或先受力的纖維先斷裂,然后由未斷裂的纖維承力直到斷裂。