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        玻璃鋼電纜管廠講訴玻璃鋼的基本力學性能

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        玻璃鋼電纜管廠講訴玻璃鋼的基本力學性能
        發布時間:2015-06-28 09:20:15  來源:本站  作者:暢元玻璃鋼

        玻璃鋼電纜管廠為您講訴玻璃鋼的力學性能突出的一點是比強度高,這是金屬材料和其它材料無法相比的,讓您知道玻璃鋼電纜管中所謂的玻璃鋼是什么樣的特性。

        玻璃鋼電纜管結構標準
        這里,我們要提一下強度的概念。強度通常是指單位面積所能承受的比較大荷載,超過這個荷載,材料就破壞了。強度又分為拉伸強度、壓縮強度、彎曲強度和剪切強度。例如說聚酯玻璃鋼抗拉強度290MPa,是指每平方厘米截面可承受2900Kg的拉力。
        玻璃鋼輕質高強的性能,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。
        玻璃經高溫熔融、快速拉成細絲時,由于比表面積增大,玻璃纖維內部及表面就難以存在大缺陷,所以玻璃纖維的強度就非常高,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  性能數據              性能    性能數據
         密度(g/cm3 )  2.53-2.55  折射率(25℃) 折射率(25℃)   1.454-1.549
         拉伸強度(MPa))  100-300 介電常數 102 赫茲  赫茲
         拉伸彈性模量(MPa)  7000  介電常數  106 赫茲  6.32
         斷裂時的伸長率(% )  1.5-4  介電常數  1010赫茲  6.11

         

             性能  性能數據      性能    性能數據
         泊松比(塊玻璃)  0.22  正切損失  102 赫茲  0.0042
         線膨脹系數℃-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
         導熱系數〔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,纖維的產量又可以大幅度提高(因為產量和直徑成平方關系)。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,或進一步制成織物及做成氈來使用。從下表所得的各種纖維強度比較來看,玻璃纖維的強度是 相當高的。

         

         性能  羊毛  棉紗 亞麻  尼龍 生絲   玻纖 鋼 
         拉伸強度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,它是用連續紗或單絲片鋪層的。在纖維方向上,有很高的彈性模量和強度,其纖維方向的強度可高達1000MPa,但在垂直纖維方向上,其強度很低。只有嚴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60%.
        (二)雙向纖維增強的玻璃鋼
        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50%。在兩個正交的纖維方向上,有較高的強度。它適用于矩形的平板或薄殼結構物。
        (三)準各向同性玻璃鋼
        這類玻璃鋼是用短切纖維氈或模塑料制成的,制品中各向強度基本接近,纖維體積含量一般小于30%,適用于強度、剛度要求不高或荷載不很清楚而只能要求各 向同性的產品。在玻璃鋼/復合材料中,力學性能在相當大的程度上取決于增強材料,有人把它比做是材料的筋骨。古代增強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材料的絕大多數。在此后相當長一段時期里,用玻璃纖維作增強材料的復合材料(即玻璃鋼)仍然占主要地位、但隨著工業的發 展,不同的時期相繼出現了新的材料,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型高強玻璃纖維。到了70年代,先 后又開發了凱芙拉纖維等。見表下所示。增強材料多品種的開發,為復合材料的應用開辟了新的領域和廣闊的途徑。

         

         纖維種類

         密度

         拉伸強度極限GPa

         拉伸膜量GPa

        比拉伸強度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!復合材料的力學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。玻璃鋼等人造的復合材料還可以人為地變化纖維方向和數量來達到某種特定的強度要求。例如, 我們采用1:1玻璃布(指經向纖維和緯向纖維量為1:1)制造的玻璃鋼,其經向和緯向強度幾乎是相等的。但在其它方向上強度則較低,如在45℃方向上強度 比經、緯向強度1/2還要低.見下表:

         

         性能                
           

         0℃

          15℃

          30℃

          45℃

          60℃

          75℃

         90℃ 

         拉伸強度MPa

        比例極限 

         178

           84 

           50 

          45 

           50

           80 

         160 

          拉伸強度MPa

         破壞強度

         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 

          如果我們采用經向和緯向纖維量為$# "的玻璃布制成環氧玻璃鋼,它們經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、扭轉強度都大不相同,如下表所列。

         

                        性能

         拉伸

           拉伸 

           壓縮 

           壓縮 

            扭轉 

           扭轉 

                       性能

         經向

           緯向 

            經向

           緯向

            經向 

           緯向 

               極限強度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    


        強度的概念前面已經講過,它是指材料破壞時,物體內的比較大應力值,按照受力情況可分為拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、剪切等。
        如圖下圖所示矩形桿的受力狀態稱為拉伸。此時我們取拉伸荷載等于P,桿的橫斷面積為F,那么拉伸應力就等于σ=P/F
        如果桿件在拉伸到破壞時的荷載(稱為比較大荷載或極限荷載)為PB,則材料的極限強度,即拉伸強度σB等于σB=PB/F

          超過極限強度桿件就要破壞,所以又稱它為破壞強度。
        材料在初始受力時,有一段時間內它的應力σ與其應變(受拉伸長變形與原長度之比)成正比,我們稱它為彈性階段。彈性階段的比較大應力值,稱為比例極限。材料在比例極限內是不會破壞的。所以,也常稱之為設計強度。
        在彈性階段,應力!和應變"成正比,變成等式后加進一個常數!,就是彈性模數,是常數值,它只與材料有關:
        σ=ES           。ǎ玻常
        不同的材料,當應力σ一定時,彈性模量E大,應變ε就;彈性模量E小,應變就ε大。這說明常數E是反映材料抵抗變形能力大小的參數。若把截面積F的大小也考慮在內,那么EF又稱為抗拉剛度。用剛度概念來具體說明該構件抵抗抗伸變形的能力就更全面了。
        當圖2-2構件上作用的是與它相反方向荷載時。這時構件就受壓縮,見圖2-3所示。


        構件受壓縮時也有應力、應變、強度、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,認為資料中所列舉的強度數據就是實際構件的強度數據。其實這兩者截然不同,差異較大。例如手糊聚酯玻璃鋼板,小試件抗伸強度可達 200-250MPa,而在同樣原材料的3m*9m的大型構件上取下一塊試樣,它的抗伸強度只有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、書籍所給出的強度數據時,一定要注意你所設計的構件工藝制造條件和一般小試件之間的差異,否則將會出現 問題。
        此外,還要注意玻璃鋼/復合材料層間強度和彈性模量低的特點。層間是薄弱環節,因為層間沒有增強纖維,所以它的層間剪切和層間抗伸強度 都較低,充其量也只是樹脂本身的強度。這個特點告誡人們在設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,設計上應使層間應力降到比較低,防止層 間破壞情況出現。例如,306#聚酯玻璃鋼的層間剪切強度只有8.9-26MPa,層間抗伸強度還要低些。
        玻璃鋼的彈性模量比木材大2倍,但比一般結構鋼。保氨。因此,在玻璃鋼結構中,常感剛性不足,會出現較大的變形。為了改善這一缺點,可采用夾層結構,亦可通過應用高模量纖維或中空纖維等來解決。
        可以看成: ERP剛性>優質木材≈竹材

        以上由陜西暢元玻璃鋼電纜管廠簡述玻璃鋼的基本力學性能相關知識。

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