Vláknem vyztužený kompozit - Fiber-reinforced composite

Příklady a perspektiva v tomto článku nesmí zahrnout všechna důležitá hlediska. Prosím vylepšit článek nebo diskutovat o problému. (Prosinec 2010) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

A kompozit vyztužený vlákny (FRC) je a kompozitní stavební materiál který se skládá ze tří složek:^[1][2]

1. vlákna jako diskontinuální nebo dispergovaná fáze,
2. matice jako spojitá fáze a
3. jemná mezifázová oblast, známá také jako rozhraní.

Jedná se o typ pokročilé složené skupiny, která jako přísady využívá rýžovou slupku, rýžový trup, rýžovou skořápku a plast. Tato technologie zahrnuje metodu rafinace, míchání a slučování přírodních vláken z celulózových odpadních proudů za vzniku vysoce pevného vláknitého kompozitního materiálu v polymerní matrici. Určeným odpadem nebo základními surovinami používanými v tomto případě jsou odpadní termoplasty a různé kategorie celulózového odpadu, včetně rýžových slupek a pilin.

Vláknem vyztužený kompozit

Úvod

FRC je vysoce výkonný vláknový kompozit dosažený a umožněný zesíťováním molekul celulózových vláken s pryskyřicemi v matrici materiálu FRC prostřednictvím patentovaného procesu molekulárního přepracování, čímž se získá produkt výjimečných strukturálních vlastností.

Prostřednictvím tohoto úspěchu molekulárního přepracování jsou vybrané fyzikální a strukturní vlastnosti dřeva úspěšně klonovány a vloženy do produktu FRC, kromě dalších důležitých atributů, které poskytují výkonnostní vlastnosti lepší než současné dřevo.

Tento materiál, na rozdíl od jiných kompozitů, lze recyklovat až 20krát, což umožňuje opětovné použití šrotu FRC.

Mezi mechanismy selhání v materiálech FRC patří delaminace, praskání intralaminární matrice, podélné štěpení matrice, oddělování vláken / matric, vytahování vláken a zlomení vláken.^[1]

Rozdíl mezi kompozitem z dřevoplastu a kompozitem vyztuženým vlákny:

Vlastnosti

Základní principy

Příslušný „průměr“ vlastností jednotlivých fází, které se mají použít při popisu složeného chování v tahu, lze objasnit s odkazem na obr. 6.2. Ačkoli

tento obrázek ilustruje deskovitý kompozit, výsledky, které následují, jsou stejně použitelné pro vláknové kompozity mající podobné fázové uspořádání. Dvě fáze

materiál na obr. 6.2 sestává z lamel z ${displaystyle alpha}$ a ${displaystyle eta}$ fáze tloušťky ${displaystyle l_ {alpha}}$ a ${displaystyle l_ {eta}}$. resp. Objemové zlomky (${displaystyle V_ {alpha}}$, ${displaystyle V_ {eta}}$) fází jsou ${displaystyle V_ {alpha} = {frac {l_ {alpha}} {l_ {alpha} + l_ {eta}}}}$ a ${displaystyle V_ {eta} = {frac {l_ {eta}} {l_ {alpha} + l_ {eta}}}}$.

Případ I: Stejný stres, jiné napětí

Na široké plochy (rozměry Lx L) fází působí normálně tahová síla F. V tomto uspořádání je napětí nesené každou z fází (= F /${displaystyle L ^ {2}}$) je stejný, ale kmeny (${displaystyle varepsilon _ {alpha}}$, ${displaystyle varepsilon _ {eta}}$) mají různé zkušenosti. složený kmen je objemový vážený průměr kmenů jednotlivých fází.

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

Celkové prodloužení kompozitu, ${displaystyle vartriangle l_ {c}}$ se získá jako ${displaystyle vartriangle l_ {c} = Nvartriangle l_ {alpha} + Nvartriangle l_ {eta}}$

a složené napětí ${displaystyle varepsilon _ {c}}$ je, ${displaystyle varepsilon _ {c}}$=${displaystyle {frac {vartriangle l_ {c}} {N (l_ {alpha} + l_ {eta})}}}$=${displaystyle V_ {alpha} varepsilon _ {alpha} + V_ {eta} varepsilon _ {eta}}$= ${displaystyle sigma {iggl (} {frac {V_ {alpha}} {E_ {alpha}}} + {frac {V_ {eta}} {E_ {eta}}} {iggr)}}$

Složený modul ${displaystyle E_ {c} = {frac {E_ {alpha} E_ {eta}} {V_ {alpha} E_ {eta} + V_ {eta} E_ {alpha}}}}$

Případ II: různé napětí, stejné napětí

Vlákna, která jsou vyrovnána rovnoběžně s osou tahu, jsou napětí v obou fázích stejná (a stejná jako složená napětí), ale vnější síla je rozdělena

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

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

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

Deformační chování

Když je vlákno zarovnáno rovnoběžně se směrem matice a aplikováno zatížení jako stejný případ přetvoření. Vlákno a matrice mají objemový podíl ${displaystyle V_ {f}}$, ${displaystyle V_ {m}}$; stres ${displaystyle sigma _ {f}}$ , ${displaystyle sigma _ {m}}$; kmen${displaystyle varepsilon _ {f}}$,${displaystyle varepsilon _ {m}}$; a modul ${displaystyle E_ {f}}$, ${displaystyle E_ {m}}$. A tady ${displaystyle varepsilon _ {f}}$=${displaystyle varepsilon _ {f}}$=${displaystyle varepsilon _ {c}}$. Jednosměrná odezva na napětí a deformaci vláknového kompozitu lze rozdělit do několika fází.

Ve fázi 1, kdy se vlákno i matice elasticky deformují, je vztah napětí a přetvoření${displaystyle sigma _ {c} = V_ {f} E_ {f} varepsilon _ {f} + V_ {m} E_ {m} varepsilon _ {m} = varepsilon _ {c} (V_ {f} E_ {f} + V_ {m} E_ {m})}$

${displaystyle E_ {c} = V_ {f} E_ {f} + V_ {m} E_ {m}}$

Ve fázi 2, kdy je napětí pro vlákno větší než mez kluzu, se matice začne plasticky deformovat a vlákna jsou stále elastická, vztah napětí a deformace je

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

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

Ve fázi 3, když se matice vlákna plasticky deformují, je vztah napětí a přetvoření

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

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

Jelikož se některá vlákna před zlomením trvale nedeformují, nelze u některých kompozitů pozorovat stupeň 3.

Ve fázi 4, kdy se vlákno již stalo lomem a matice se stále plasticky deformuje, je vztah napětí a přetvoření

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

Není to však úplně pravda, protože poruchová vlákna mohou stále nést určité zatížení.

Výztuž diskontinuálními vlákny

U diskontinuálních vláken (také známých jako vousy, v závislosti na délce) se tahová síla přenáší z matice na vlákno pomocí smykových napětí, která se vyvíjejí podél rozhraní vlákno-matice.

Matice má posunutí rovné nule ve středu vlákna a maximum na koncích vzhledem k vláknu podél rozhraní. Výtlak způsobí mezifázové smykové napětí ${displaystyle au _ {m}}$ což je vyváženo tahovým napětím vlákna ${displaystyle sigma _ {f}}$. ${displaystyle df}$ je průměr vlákna a ${displaystyle x}$ je vzdálenost od konce vlákna.

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

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

Již po velmi malém namáhání se velikost smykového napětí na konci vlákna zvětší. To vede ke dvěma situacím: delaminaci vláken a matrice nebo matrici s plastickým střihem.

Pokud má matice plastické smykové napětí: mezifázové smykové napětí ${displaystyle au _ {m} leq au _ {my}}$. Pak je tu kritická délka ${displaystyle l_ {c}}$ to když ${displaystyle l> l_ {c}}$, po jistotě ${displaystyle x}$, ${displaystyle sigma _ {f}}$ zůstává konstantní a rovná se napětí ve stavu stejného napětí.

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

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

Poměr, ${displaystyle {frac {l_ {c}} {d_ {f}}}}$ se nazývá „kritický poměr stran“. Zvyšuje se s kompozitním namáháním ${displaystyle varepsilon _ {c}}$. Má-li být střed vlákna namáhán na podmínku stejného přetvoření při kompozitním lomu, musí být jeho délka alespoň ${displaystyle d_ {f} sigma _ {f} ^ {tensile} / 2 au _ {my}}$.

Poté vypočítejte průměrné napětí. Zlomek napětí přenášejícího délku vlákna ${displaystyle sigma _ {f} (varepsilon _ {c})}$ je ${displaystyle {frac {l-l_ {c}} {l}}}$. Zbývající zlomek ${displaystyle {frac {l_ {c}} {l}}}$ nese průměrný stres ${displaystyle sigma _ {f} (varepsilon _ {c}) / 2}$.

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

Pro ${displaystyle l$, průměrný stres je ${displaystyle sigma _ {m} sekera / 2}$ s ${displaystyle sigma _ {m} ax = 2 au _ {my} l / d_ {f}}$.

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

Složené napětí je upraveno následovně:

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

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

Výše uvedené rovnice předpokládaly, že vlákna byla vyrovnána se směrem zatížení. Upravený pravidlo směsí lze použít k předpovědi složené pevnosti, včetně faktoru účinnosti orientace, ${displaystyle eta _ {0}}$, což odpovídá snížení pevnosti z nevychýlených vláken.^[3]

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

kde ${displaystyle eta _ {f}}$ je faktor účinnosti vlákna rovný ${displaystyle {frac {l} {2l_ {c}}}}$pro ${displaystyle lleq l_ {c}}$, a ${displaystyle left [1-left ({frac {l_ {c}} {2l}} ight) ight]}$pro ${displaystyle l> l_ {c}}$. Pokud jsou vlákna dokonale vyrovnána se směrem zatížení ${displaystyle eta _ {0}}$ je 1. Běžné hodnoty ${displaystyle eta _ {0}}$ pro náhodně orientované jsou zhruba 0,375 pro rovinné dvourozměrné pole a 0,2 pro trojrozměrné pole.^[3]

Pozoruhodnou výztuž lze zajistit diskontinuálními vlákny za předpokladu, že jejich délky jsou mnohem větší než (obvykle) malé kritické délky. Například MMC.

Pokud dojde k delaminaci vláknitou matricí. ${displaystyle au _ {my}}$ je nahrazeno třecím napětím ${displaystyle mu P}$ kde ${displaystyle mu}$ je koeficient tření mezi matricí a vláknem a ${displaystyle P}$ je vnitřní tlak.

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

To se děje ve většině kompozitů na bázi pryskyřice.

Kompozity s délkou vláken menší než ${displaystyle l_ {c}}$ přispívají jen málo k síle. Během kompozitního lomu se však krátká vlákna nezlomí. Místo toho jsou vytaženy z matice. Práce spojená s vytažením vláken poskytuje další složku při lomové práci a má velký příspěvek k houževnatosti.

aplikace

Na trhu jsou také aplikace, které využívají pouze odpadní materiály. Jeho nejrozšířenější použití je ve venkovních podlahách paluby, ale používá se také na zábradlí, ploty, krajinářské trámy, obklady a obklady, lavičky v parku, lišty a obložení, rámy oken a dveří a vnitřní nábytek. Viz například práce Odpad pro život, která spolupracuje s družstvy na úklid odpadků při vytváření stavebních materiálů vyztužených vlákny a domácích problémů z odpadu, který jejich členové shromažďují: Domovská stránka odpadu pro život

Kompozity vyztužené vlákny mají navíc mnoho aplikací v lékařství^[4] a zubní^[5] pole: materiály vyztužené vlákny byly po dlouhou dobu používány pro řadu aplikací v různých bioinženýrských a biomedicínských oblastech s perspektivou budoucích budoucích aplikací^[6].

Viz také

• Poměr objemu vláken
• Lomová mechanika
• Plastový kompozit (disambiguation)
• Plastové řezivo
• Kompozit ze dřeva a plastu
• Plast vyztužený vlákny

Reference

3. Thomas H. Courtney. "Mechanické chování materiálů". 2. vyd. Waveland Press, Inc. 2005. ISBN  1-57766-425-6