English
簡體中文
這里，我們要提一下強(qiáng)度的概念。強(qiáng)度通常是指單位面積所能承受的大荷載，超過這個荷載，材料就破壞了。強(qiáng)度又分為拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。例如說聚酯玻璃鋼抗拉強(qiáng)度290MPa，是指每平方厘米截面可承受2900Kg的拉力。
玻璃鋼輕質(zhì)高強(qiáng)的性能，來源于較低的樹脂密度（澆鑄體密度1.27左右）以及玻璃纖維的高抗伸強(qiáng)度（普通鋼材的5倍以上）。玻璃鋼的密度隨著樹脂含量的不同而有所不同。從高樹脂含量的玻璃氈制品到低樹脂含量的玻璃鋼纏繞制品（密度2.2），玻璃鋼的密度只有普碳鋼的1/4-1/5，比鋁還輕1/3左右。
玻璃經(jīng)高溫熔融、快速拉成細(xì)絲時，由于比表面積增大，玻璃纖維內(nèi)部及表面就難以存在大缺陷，所以玻璃纖維的強(qiáng)度就非常高，常用的是無堿鋁硼硅酸鹽纖維，其一般性能如表下所示。
| 性能 | 性能數(shù)據(jù) | 性能 | 性能數(shù)據(jù) | |
| 密度（g/cm3 ） | 2.53-2.55 | 折射率（25℃） | 折射率（25℃） | 1.454-1.549 |
| 拉伸強(qiáng)度（MPa)） | 100-300 | 介電常數(shù) | 102 赫茲 | 赫茲 |
| 拉伸彈性模量（MPa） | 7000 | 介電常數(shù) | 106 赫茲 | 6.32 |
| 斷裂時的伸長率（% ） | 1.5-4 | 介電常數(shù) | 1010赫茲 | 6.11 |
| 性能 | 性能數(shù)據(jù) | 性能 | 性能數(shù)據(jù) | |
| 泊松比（塊玻璃） | 0.22 | 正切損失 | 102 赫茲 | 0.0042 |
| 線膨脹系數(shù)℃-1 | 4.8*10-4 | 正切損失 | 1010赫茲 | 0.006 |
| 比熱〔KJ/(Kg/.K)〕 | 0.80 | 體積電阻（Ω?cm ） | 體積電阻（Ω?cm ） | 1011-1013 |
| 導(dǎo)熱系數(shù)〔W/m?K）〕 | 1.0 | 聲速ｍ／ｓ | 聲速ｍ／ｓ | 5500 |
| 軟化溫度（℃） | 850 |
玻璃鋼中常用的玻璃纖維直徑是８－１３μｍ。近年來各國所用的玻璃纖維趨向于向粗直徑發(fā)展，通用的是１３～18μｍ ，采用池窯拉絲。采用粗直徑纖維既不影響玻璃鋼的性能，纖維的產(chǎn)量又可以大幅度提高（因為產(chǎn)量和直徑成平方關(guān)系）。也有采用直徑２０μｍ 以上的玻璃纖維。玻璃鋼所用的玻璃纖維一般是把單絲并成線或粗紗，或進(jìn)一步制成織物及做成氈來使用。從下表所得的各種纖維強(qiáng)度比較來看，玻璃纖維的強(qiáng)度是相當(dāng)高的。
| 性能 | 羊毛 | 棉紗 | 亞麻 | 尼龍 | 生絲 | 玻纖 | 鋼 |
| 拉伸強(qiáng)度MPa | - | 34.54 | 35 | 30-60 | 44 | 100-300 | 50-200 |
| 延伸率% | 24-28 | 6-12 | - | 15-40 | 15-86 | 2.5-4 | - |
玻璃纖維可按三種方向排列:
（一）單向纖維增強(qiáng)的玻璃鋼
這一類玻璃鋼，玻璃纖維定向排列在一個方向，它是用連續(xù)紗或單絲片鋪層的。在纖維方向上，有很高的彈性模量和強(qiáng)度，其纖維方向的強(qiáng)度可高達(dá)１０００ＭＰａ，但在垂直纖維方向上，其強(qiáng)度很低。只有嚴(yán)格的單向受力情況下，才使用這類玻璃鋼。其纖維體積含量可以高達(dá)６０％．
（二）雙向纖維增強(qiáng)的玻璃鋼
這類玻璃鋼是用雙向織物鋪展的，其玻璃纖維體積含量可達(dá)５０％。在兩個正交的纖維方向上，有較高的強(qiáng)度。它適用于矩形的平板或薄殼結(jié)構(gòu)物。
（三）準(zhǔn)各向同性玻璃鋼
這類玻璃鋼是用短切纖維氈或模塑料制成的，制品中各向強(qiáng)度基本接近，纖維體積含量一般小于３０％，適用于強(qiáng)度、剛度要求不高或荷載不很清楚而只能要求各向同性的產(chǎn)品。在玻璃鋼／復(fù)合材料中，力學(xué)性能在相當(dāng)大的程度上取決于增強(qiáng)材料，有人把它比做是材料的筋骨。古代增強(qiáng)材料主要是麻和棉纖維以及絲綢類。到了４０年代，玻璃纖維開始占增強(qiáng)材料的絕大多數(shù)。在此后相當(dāng)長一段時期里，用玻璃纖維作增強(qiáng)材料的復(fù)合材料（即玻璃鋼）仍然占主要地位、但隨著工業(yè)的發(fā)展，不同的時期相繼出現(xiàn)了新的材料，在５０年代研制了高模量碳纖維、硼纖維。６０年代，又改變了玻璃成分，研究了Ｓ及Ｒ型高強(qiáng)玻璃纖維。到了７０年代，先后又開發(fā)了凱芙拉纖維等。見表下所示。增強(qiáng)材料多品種的開發(fā)，為復(fù)合材料的應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域和廣闊的途徑。
|
纖維種類 |
密度 |
拉伸強(qiáng)度極限GPa |
拉伸膜量GPa |
比拉伸強(qiáng)度GPa |
比膜量GPa |
|
A―玻璃纖維 |
2.45 |
3.1 |
72 |
1.26 |
29 |
|
E―玻璃纖維 |
2.56 |
3.6 |
76 |
1.40 |
29 |
|
R―玻璃纖維 |
2.58 |
4.4 |
85 |
1.70 |
33 |
|
S―玻璃纖維 |
2.49 |
4.9 |
86 |
1.8 |
34 |
|
I型高模量碳纖維 |
1.87 |
2.1 |
330 |
1.12 |
176 |
|
II型高強(qiáng)度碳纖維 |
1.76 |
2.6 |
235 |
1.48 |
133 |
|
聚芳香酰胺纖維kevlar-29 |
1.44 |
2.76 |
58 |
1.92 |
10 |
|
聚芳香酰胺纖維kevlar-29 |
1.45 |
2.94 |
130 |
2.03 |
90 |
|
劍麻 |
1.3 |
0.8 |
- |
0.61 |
- |
|
硼纖維 |
2.62 |
3.4 |
344 |
1.30 |
130 |
|
碳化硅纖維 |
2.55 |
3.0 |
2000 |
|
|
玻璃鋼!復(fù)合材料的力學(xué)性能具有明顯的方向性，這是與金屬材料不同的。金屬材料，不論在任何方向，強(qiáng)度和彈性模量幾乎完全相同。而對于木材、玻璃鋼等，沿纖維方向的強(qiáng)度和彈性模量就比垂直于纖維方向上的要高得多。象金屬那樣強(qiáng)度不隨方向變化而變化的材料稱為各向同性材料，而象玻璃鋼、木材、鋼筋混凝土等，它們的強(qiáng)度隨方向不同而變化，稱它們是各向異性材料。玻璃鋼等人造的復(fù)合材料還可以人為地變化纖維方向和數(shù)量來達(dá)到某種特定的強(qiáng)度要求。例如，我們采用１：１玻璃布（指經(jīng)向纖維和緯向纖維量為１：１）制造的玻璃鋼，其經(jīng)向和緯向強(qiáng)度幾乎是相等的。但在其它方向上強(qiáng)度則較低，如在４５℃方向上強(qiáng)度比經(jīng)、緯向強(qiáng)度１／２還要低．見下表：
| 性能 | ||||||||
|
0℃ |
15℃ |
30℃ |
45℃ |
60℃ |
75℃ |
90℃ | ||
|
拉伸強(qiáng)度MPa |
比例極限 |
178 |
84 |
50 |
45 |
50 |
80 |
160 |
|
拉伸強(qiáng)度MPa |
破壞強(qiáng)度 |
269 |
210 |
173 |
158 |
163 |
194 |
263 |
|
拉伸彈性模量（GPa） |
|
16.7 |
13.3 |
11.1 |
10 |
11.1 |
12.5 |
15.2 |
|
伸長率% |
|
1.6 |
2.5 |
4.8 |
4.8 |
4.5 |
2.6 |
1.9 |
如果我們采用經(jīng)向和緯向纖維量為$# "的玻璃布制成環(huán)氧玻璃鋼，它們經(jīng)向和緯向纖維量差別較大，因此在這兩個方向上的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度都大不相同，如下表所列。
| 性能 |
拉伸 |
拉伸 |
壓縮 |
壓縮 |
扭轉(zhuǎn) |
扭轉(zhuǎn) |
|
性能 |
經(jīng)向 |
緯向 |
經(jīng)向 |
緯向 |
經(jīng)向 |
緯向 |
|
極限強(qiáng)度MPa |
373 |
142.4 |
310 |
230 |
67 |
43 |
|
彈性模量MPa |
26 |
12 |
24 |
13 |
2.9 |
2.9 |
| 泊松比 | 0.20 | 0.10 | 0.24 | 0.12 |
強(qiáng)度的概念前面已經(jīng)講過，它是指材料破壞時，物體內(nèi)的大應(yīng)力值，按照受力情況可分為拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切等。
如圖下圖所示矩形桿的受力狀態(tài)稱為拉伸。此時我們?nèi)±旌奢d等于Ｐ，桿的橫斷面積為Ｆ，那么拉伸應(yīng)力就等于σ＝Ｐ／Ｆ
如果桿件在拉伸到破壞時的荷載（稱為大荷載或極限荷載）為ＰＢ，則材料的極限強(qiáng)度，即拉伸強(qiáng)度σＢ等于
σＢ＝ＰＢ／Ｆ
超過極限強(qiáng)度桿件就要破壞，所以又稱它為破壞強(qiáng)度。
材料在初始受力時，有一段時間內(nèi)它的應(yīng)力σ與其應(yīng)變（受拉伸長變形與原長度之比）成正比，我們稱它為彈性階段。彈性階段的大應(yīng)力值，稱為比例極限。材料在比例極限內(nèi)是不會破壞的。所以，也常稱之為設(shè)計強(qiáng)度。
在彈性階段，應(yīng)力!和應(yīng)變"成正比，變成等式后加進(jìn)一個常數(shù)!，就是彈性模數(shù)，是常數(shù)值，它只與材料有關(guān)：
σ＝ＥＳ （２－３）
不同的材料，當(dāng)應(yīng)力σ一定時，彈性模量Ｅ大，應(yīng)變ε就小；彈性模量Ｅ小，應(yīng)變就ε大。這說明常數(shù)Ｅ是反映材料抵抗變形能力大小的參數(shù)。若把截面積Ｆ的大小也考慮在內(nèi)，那么ＥＦ又稱為抗拉剛度。用剛度概念來具體說明該構(gòu)件抵抗抗伸變形的能力就更全面了。
當(dāng)圖２－２構(gòu)件上作用的是與它相反方向荷載時。這時構(gòu)件就受壓縮，見圖２－３所示。
構(gòu)件受壓縮時也有應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度、彈性模量、剛度等，其定義和拉伸時一樣，只是荷載方向相反而已。
值得注意的是人們常常有一種誤解，認(rèn)為資料中所列舉的強(qiáng)度數(shù)據(jù)就是實(shí)際構(gòu)件的強(qiáng)度數(shù)據(jù)。其實(shí)這兩者截然不同，差異較大。例如手糊聚酯玻璃鋼板，小試件抗伸強(qiáng)度可達(dá)２００－２５０ＭＰａ，而在同樣原材料的３ｍ＊９ｍ的大型構(gòu)件上取下一塊試樣，它的抗伸強(qiáng)度只有１００ＭＰａ。這是因為兩者的制造操作條件不同，大塊板工藝條件不如小試件那樣理想。因此，在采用各類資料、書籍所給出的強(qiáng)度數(shù)據(jù)時，一定要注意你所設(shè)計的構(gòu)件工藝制造條件和一般小試件之間的差異，否則將會出現(xiàn)問題。
此外，還要注意玻璃鋼/復(fù)合材料層間強(qiáng)度和彈性模量低的特點(diǎn)。層間是薄弱環(huán)節(jié)，因為層間沒有增強(qiáng)纖維，所以它的層間剪切和層間抗伸強(qiáng)度都較低，充其量也只是樹脂本身的強(qiáng)度。這個特點(diǎn)告誡人們在設(shè)計和制造玻璃鋼制品時，除工藝制造時盡量使布層間粘牢外，設(shè)計上應(yīng)使層間應(yīng)力降到低，防止層間破壞情況出現(xiàn)。例如，３０６＃聚酯玻璃鋼的層間剪切強(qiáng)度只有８．９－２６ＭＰａ，層間抗伸強(qiáng)度還要低些。
玻璃鋼的彈性模量比木材大２倍，但比一般結(jié)構(gòu)鋼小１０倍。因此，在玻璃鋼結(jié)構(gòu)中，常感剛性不足，會出現(xiàn)較大的變形。為了改善這一缺點(diǎn)，可采用夾層結(jié)構(gòu)，亦可通過應(yīng)用高模量纖維或中空纖維等來解決。
可以看成： ＥＲＰ剛性＞木材≈竹材