玻璃钢力学性能

玻璃钢的基本性能——力学性能玻璃钢的力学性能突出的一点是比强度高，这是金属材料和其它材料无法相比的。这里，我们要提一下强度的概念。强度通常是指单位面积所能承受的最大荷载，超过这个荷载，材料就破坏了。强度又分为拉伸强度、压缩强度、弯曲强度和剪切强度。例如说聚酯玻璃钢抗拉强度290MPa，是指每平方厘米截面可承受2900Kg的拉力。玻璃钢轻质高强的性能，来源于较低的树脂密度（浇铸体密度1.27左右）以及玻璃纤维的高抗伸强度（普通钢材的5倍以上）。玻璃钢的密度随着树脂含量的不同而有所不同。从高树脂含量的玻璃毡制品到低树脂含量的玻璃钢缠绕制品（密度2.2），玻璃钢的密度只有普碳钢的1/4-1/5，比铝还轻1/3左右。玻璃经高温熔融、快速拉成细丝时，由于比表面积增大，玻璃纤维内部及表面就难以存在大缺陷，所以玻璃纤维的强度就非常高，常用的是无碱铝硼硅酸盐纤维，其一般性能如表下所示。性能：密度（g/cm3）性能数据：2.53-2.55性能：折射率（25℃）折射率（25℃）性能数据：1.454-1.549性能：拉伸强度（MPa)）性能数据：100-300性能：介电常数102赫兹性能数据：赫兹性能：拉伸弹性模量（MPa）性能数据：7000性能：介电常数106赫兹性能数据：6.32性能：断裂时的伸长率（%）性能数据：1.5-4性能：介电常数1010赫兹性能数据：6.11性能性能数据性能性能数据泊松比（块玻璃）0.22正切损失102赫兹0.0042线膨胀系数℃-14.8*10-4正切损失1010赫兹0.006比热〔KJ/(Kg/.K)〕0.80体积电阻（Ω·cm）体积电阻（Ω·cm）1011-1013导热系数〔W/m·K）〕1.0声速ｍ／ｓ声速ｍ／ｓ5500软化温度（℃）850玻璃钢中常用的玻璃纤维直径是８－１３µｍ。近年来各国所用的玻璃纤维趋向于向粗直径发展，通用的是１３∼18µｍ，采用池窑拉丝。采用粗直径纤维既不影响玻璃钢的性能，纤维的产量又可以大幅度提高（因为产量和直径成平方关系）。也有采用直径２０µｍ以上的玻璃纤维。玻璃钢所用的玻璃纤维一般是把单丝并成线或粗纱，或进一步制成织物及做成毡来使用。从下表所得的各种纤维强度比较来看，玻璃纤维的强度是相当高的。性能：拉伸强度MPa羊毛：-棉纱：34.54亚麻：35尼龙：30-60生丝：44玻纤：100-300钢：50-200性能：延伸率%羊毛：24-28棉纱：6-12亚麻：-尼龙：15-40生丝：15-86玻纤：2.5-4钢：-玻璃纤维可按三种方向排列:（一）单向纤维增强的玻璃钢这一类玻璃钢，玻璃纤维定向排列在一个方向，它是用连续纱或单丝片铺层的。在纤维方向上，有很高的弹性模量和强度，其纤维方向的强度可高达１０００ＭＰａ，但在垂直纤维方向上，其强度很低。只有严格的单向受力情况下，才使用这类玻璃钢。其纤维体积含量可以高达６０％．（二）双向纤维增强的玻璃钢这类玻璃钢是用双向织物铺展的，其玻璃纤维体积含量可达５０％。在两个正交的纤维方向上，有较高的强度。它适用于矩形的平板或薄壳结构物。（三）准各向同性玻璃钢这类玻璃钢是用短切纤维毡或模塑料制成的，制品中各向强度基本接近，纤维体积含量一般小于３０％，适用于强度、刚度要求不高或荷载不很清楚而只能要求各向同性的产品。在玻璃钢／复合材料中，力学性能在相当大的程度上取决于增强材料，有人把它比做是材料的筋骨。古代增强材料主要是麻和棉纤维以及丝绸类。到了４０年代，玻璃纤维开始占增强材料的绝大多数。在此后相当长一段时期里，用玻璃纤维作增强材料的复合材料（即玻璃钢）仍然占主要地位、但随着工业的发展，不同的时期相继出现了新的材料，在５０年代研制了高模量碳纤维、硼纤维。６０年代，又改变了玻璃成分，研究了Ｓ及Ｒ型高强玻璃纤维。到了７０年代，先后又开发了凯芙拉纤维等。见表下所示。增强材料多品种的开发，为复合材料的应用开辟了新的领域和广阔的途径。纤维种类：A—玻璃纤维密度：2.45拉伸强度极限GPa：3.1拉伸膜量GPa：72比拉伸强度GPa：1.26比膜量GPa：29纤维种类：E—玻璃纤维密度：2.56拉伸强度极限GPa：3.6拉伸膜量GPa：76比拉伸强度GPa：1.40比膜量GPa：29纤维种类：R—玻璃纤维密度：2.58拉伸强度极限GPa：4.4拉伸膜量GPa：85比拉伸强度GPa：1.70比膜量GPa：33纤维种类：S—玻璃纤维密度：2.49拉伸强度极限GPa：4.9拉伸膜量GPa：86比拉伸强度GPa：1.8比膜量GPa：34纤维种类：I型高模量碳纤维密度：1.87拉伸强度极限GPa：2.1拉伸膜量GPa：330比拉伸强度GPa：1.12比膜量GPa：176纤维种类：II型高强度碳纤维密度：1.76拉伸强度极限GPa：2.6拉伸膜量GPa：235比拉伸强度GPa：1.48比膜量GPa：133纤维种类：聚芳香酰胺纤维kevlar-29密度：1.44拉伸强度极限GPa：2.76拉伸膜量GPa：58比拉伸强度GPa：1.92比膜量GPa：10纤维种类：聚芳香酰胺纤维kevlar-29密度：1.45拉伸强度极限GPa：2.94拉伸膜量GPa：130比拉伸强度GPa：2.03比膜量GPa：90纤维种类：剑麻密度：1.3拉伸强度极限GPa：0.8拉伸膜量GPa：-比拉伸强度GPa：0.61比膜量GPa：-纤维种类：硼纤维密度：2.62拉伸强度极限GPa：3.4拉伸膜量GPa：344比拉伸强度GPa：1.30比膜量GPa：130纤维种类：碳化硅纤维密度：2.55拉伸强度极限GPa：3.0拉伸膜量GPa：2000比拉伸强度GPa：比膜量GPa：玻璃钢!复合材料的力学性能具有明显的方向性，这是与金属材料不同的。金属材料，不论在任何方向，强度和弹性模量几乎完全相同。而对于木材、玻璃钢等，沿纤维方向的强度和弹性模量就比垂直于纤维方向上的要高得多。象金属那样强度不随方向变化而变化的材料称为各向同性材料，而象玻璃钢、木材、钢筋混凝土等，它们的强度随方向不同而变化，称它们是各向异性材料。玻璃钢等人造的复合材料还可以人为地变化纤维方向和数量来达到某种特定的强度要求。例如，我们采用１：１玻璃布（指经向纤维和纬向纤维量为１：１）制造的玻璃钢，其经向和纬向强度几乎是相等的。但在其它方向上强度则较低，如在４５℃方向上强度比经、纬向强度１／２还要低．见下表：性能0℃15℃30℃45℃60℃75℃90℃拉伸强度MPa比例极限1788450455080160拉伸强度MPa破坏强度269210173158163194263拉伸弹性模量（GPa）16.713.311.11011.112.515.2伸长率%1.62.54.84.84.52.61.9如果我们采用经向和纬向纤维量为$#的玻璃布制成环氧玻璃钢，它们经向和纬向纤维量差别较大，因此在这两个方向上的拉伸、压缩、扭转强度都大不相同，如下表所列。性能拉伸拉伸压缩压缩扭转扭转性能经向纬向经向纬向经向纬向极限强度MPa373142.43102306743弹性模量MPa261224132.92.9泊松比0.200.100.240.12强度的概念前面已经讲过，它是指材料破坏时，物体内的最大应力值，按照受力情况可分为拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等。如图下图所示矩形杆的受力状态称为拉伸。此时我们取拉伸荷载等于Ｐ，杆的横断面积为Ｆ，那么拉伸应力就等于σ＝Ｐ／Ｆ如果杆件在拉伸到破坏时的荷载（称为最大荷载或极限荷载）为ＰＢ，则材料的极限强度，即拉伸强度σＢ等于σＢ＝ＰＢ／Ｆ超过极限强度杆件就要破坏，所以又称它为破坏强度。材料在初始受力时，有一段时间内它的应力σ与其应变（受拉伸长变形与原长度之比）成正比，我们称它为弹性阶段。弹性阶段的最大应力值，称为比例极限。材料在比例极限内是不会破坏的。所以，也常称之为设计强度。在弹性阶段，应力!和应变成正比，变成等式后加进一个常数!，就是弹性模数，是常数值，它只与材料有关：σ＝ＥＳ（２－３）不同的材料，当应力σ一定时，弹性模量Ｅ大，应变ε就小；弹性模量Ｅ小，应变就ε大。这说明常数Ｅ是反映材料抵抗变形能力大小的参数。若把截面积Ｆ的大小也考虑在内，那么ＥＦ又称为抗拉刚度。用刚度概念来具体说明该构件抵抗抗伸变形的能力就更全面了。当图２－２构件上作用的是与它相反方向荷载时。这时构件就受压缩，见图２－３所示。构件受压缩时也有应力、应变、强度、弹性模量、刚度等，其定义和拉伸时一样，只是荷载方向相反而已。值得注意的是人们常常有一种误解，认为资料中所列举的强度数据就是实际构件的强度数据。其实这两者截然不同，差异较大。例如手糊聚酯玻璃钢板，小试件抗伸强度可达２００－２５０ＭＰａ，而在同样原材料的３ｍ＊９ｍ的大型构件上取下一块试样，它的抗伸强度只有１００ＭＰａ。这是因为两者的制造操作条件不同，大块板工艺条件不如小试件那样理想。因此，在采用各类资料、书籍所给出的强度数据时，一定要注意你所设计的构件工艺制造条件和一般小试件之间的差异，否则将会出现问题。此外，还要注意玻璃钢/复合材料层间强度和弹性模量低的特点。层间是薄弱环节，因为层间没有增强纤维，所以它的层间剪切和层间抗伸强度都较低，充其量也只是树脂本身的强度。这个特点告诫人们在设计和制造玻璃钢制品时，除工艺制造时尽量使布层间粘牢外，设计上应使层间应力降到最低，防止层间破坏情况出现。例如，３０６＃聚酯玻璃钢的层间剪切强度只有８．９－２６ＭＰａ，层间抗伸强度还要低些。玻璃钢的弹性模量比木材大２倍，但比一般结构钢小１０倍。因此，在玻璃钢结构中，常感刚性不足，会出现较大的变形。为了改善这一缺点，可采用夹层结构，亦可通过应用高模量纤维或中空纤维等来解决。可以看成：ＥＲＰ刚性＞优质木材≈竹材