玻璃鋼力學(xué)性能

1、玻璃鋼的基本性能一一力學(xué)性能 玻璃鋼的力學(xué)性能突岀的一點(diǎn)是比強(qiáng)度高，這是金屬材料和其它材料無法相比的。290MPa,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最大荷載，超過這個(gè)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/

2、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(shí)，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：密度（g/cm3 ）性能數(shù)據(jù)：性能：折射率（25C）折射率（25 C）性能數(shù)據(jù)：1.454-1.549性能：拉伸強(qiáng)度（MPa）性能數(shù)據(jù)：100-300性能：介電常數(shù)102赫茲性能數(shù)據(jù)：赫茲性能：拉伸彈性模量（MPa性能數(shù)據(jù)：7000性能：介電常數(shù)106赫茲性能數(shù)據(jù)：6.32性能：斷裂時(shí)的伸長(zhǎng)率（%性能數(shù)據(jù)：1.5-4性能：介電常數(shù)1010赫茲性能數(shù)據(jù)：6.11性能性能數(shù)據(jù)性能性能數(shù)據(jù))正切損失102赫

3、茲0.0042正切損失1010赫茲0.006泊松比（塊玻璃）0.22線膨脹系數(shù)C -1 4.8*10-4比熱KJ/（Kg/.K）0.80體積電阻cm ）體積電阻cm ）1011-1013導(dǎo)熱系數(shù)W/m- K）1.0聲速m/s聲速m/s5500軟化溫度（C）850玻璃鋼中常用的玻璃纖維直徑是8-13卩m。近年來各國(guó)所用的玻璃纖維趨向于向粗直徑發(fā)展，通用的是1318卩m，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?yàn)楫a(chǎn)量和直徑成平方關(guān)系）。也有采用直徑20卩m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

4、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:拉伸強(qiáng)度MPa羊毛:-棉紗:34.54亞麻:35尼龍:30-60牛絲44玻纖:100-300鋼：50-200性能:延伸率%羊毛:24-28棉紗:6-12亞麻: -尼龍:15-40牛絲:15-86玻纖:2.5-4鋼：-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(gè)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)1 0 0 0 MPa，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)6 0%.（二）雙

5、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)5 0%。在兩個(gè)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3 0%， 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4 0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(zhǎng)一段時(shí)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、

6、但隨著工業(yè)的發(fā)展，不同的時(shí)期相繼岀現(xiàn)了 新的材料，在5 0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7 0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： A 玻璃纖維密度：2.45拉伸強(qiáng)度極限GPa3.1拉伸膜量GPa 72比拉伸強(qiáng)度 GPa :1.26比膜量GPa :29纖維種類：E 玻璃纖維密度：2.56拉伸強(qiáng)度極限GPa3.6拉伸膜量GPa 76比拉伸強(qiáng)度GPa :1.40比膜量GPa :29纖維種類： R 玻璃纖維密度：2.58拉伸強(qiáng)度極限GPa4.4拉伸膜量

7、GPa 85比拉伸強(qiáng)度GPa :1.70比膜量GPa :33纖維種類：S 玻璃纖維密度：2.49拉伸強(qiáng)度極限 GPa4.9拉伸膜量GPa 86比拉伸強(qiáng)度GPa :1.8比膜量GPa :34纖維種類：I型高模量碳纖維密度：1.87拉伸強(qiáng)度極限GPa2.1拉伸膜量GPa 330比拉伸強(qiáng)度 GPa :1.12比膜量GPa :176纖維種類：II型高強(qiáng)度碳纖維密度：1.76拉伸強(qiáng)度極限GPa2.6拉伸膜量GPa 235比拉伸強(qiáng)度GPa :1.48比膜量GPa :133纖維種類：聚芳香酰胺纖維 kevlar-29密度：1.44拉伸強(qiáng)度極限GPa2.76拉伸膜量GPa 58比拉伸強(qiáng)度GPa :1.92比膜

8、量GPa :10纖維種類：聚芳香酰胺纖維 kevlar-29密度：1.45拉伸強(qiáng)度極限GPa2.94拉伸膜量GPa 130比拉伸強(qiáng)度GPa :2.03比膜量GPa :90纖維種類：劍麻密度：1.3拉伸強(qiáng)度極限GPa0.8拉伸膜量GPa -比拉伸強(qiáng)度 GPa :0.61比膜量GPa :-纖維種類：硼纖維密度：2.62拉伸強(qiáng)度極限GPa 3.4拉伸膜量GPa 344比拉伸強(qiáng)度GPa :1.30比膜量GPa :130纖維種類：碳化硅纖維密度：2.55拉伸強(qiáng)度極限GPa 3.0拉伸膜量GPa 2000比拉伸強(qiáng)度GPa :比膜量GPa :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。

9、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(duì)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4 5C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 °C15°C30

10、76;C45°C60°C75°C90 °C拉伸強(qiáng)度 MPa比例極限 178 8450 4550 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(zhǎng)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(gè)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

11、緯向經(jīng)向緯向極限強(qiáng)度MPa373142.43102306743彈性模量MPa261224132.92.9泊松比 0.200.100.24 0.12強(qiáng)度的概念前面已經(jīng)講過，它是指材料破壞時(shí)，物體內(nèi)的最大應(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(shí)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（t = P/F如果桿件在拉伸到破壞時(shí)的荷載（稱為最大荷載或極限荷載）為PE，則材料的極限強(qiáng)度，即拉伸強(qiáng)度uE等于（tB = 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(shí)，有一段時(shí)間內(nèi)它的應(yīng)力u與其應(yīng)變（受拉伸

12、長(zhǎng)變形與原長(zhǎng)度之比）成正比，我們稱 它為彈性階段。彈性階段的最大應(yīng)力值，稱為比例極限。材料在比例極限內(nèi)是不會(huì)破壞的。所以，也常 稱之為設(shè)計(jì)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(gè)常數(shù)！，就是彈性模數(shù)，是常數(shù)值，它只與材 料有關(guān)：(t=ES(2 3)不同的材料，當(dāng)應(yīng)力b定時(shí)，彈性模量E大，應(yīng)變£就小；彈性模量E小，應(yīng)變就&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(shí)。這時(shí)構(gòu)件就受壓縮，見圖2 3所示。

13、構(gòu)件受壓縮時(shí)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(shí)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)200 250 MPa，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10 0MPa。這是因?yàn)閮烧叩?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(shí)，一定要注意你所設(shè)計(jì)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(huì)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?yàn)閷娱g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(gè)特點(diǎn)告誡人們?cè)?設(shè)