Композит, армированный волокном

Композит , армированный волокнами (FRC) — это композитный строительный материал , состоящий из трех компонентов: ^{[1] [2]}

1. волокна как прерывистая или дисперсная фаза,
2. матрица как непрерывная фаза, и
3. тонкая интерфазная область, также известная как интерфейс.

Это тип передовой композитной группы, которая использует в качестве ингредиентов рисовую шелуху, рисовую шелуху, рисовую шелуху и пластик. Эта технология включает метод очистки, смешивания и компаундирования натуральных волокон из потоков целлюлозных отходов для формирования высокопрочного волокнистого композитного материала в полимерной матрице. Назначенные отходы или базовое сырье, используемые в этом случае, являются отходами термопластика и различными категориями целлюлозных отходов, включая рисовую шелуху и опилки.

Композит, армированный волокном

Введение

FRC — это высокоэффективный волокнистый композит, созданный и ставший возможным благодаря сшивке молекул целлюлозного волокна со смолами в матрице материала FRC с помощью запатентованного процесса молекулярной реконструкции, что позволяет получить продукт с исключительными структурными свойствами.

Благодаря этому подвигу молекулярной реинжиниринга избранные физические и структурные свойства древесины успешно клонируются и переносятся в продукт FRC, в дополнение к другим важным свойствам, что позволяет получить эксплуатационные свойства, превосходящие свойства современной древесины.

Этот материал, в отличие от других композитов, может быть переработан до 20 раз, что позволяет повторно использовать отходы FRC снова и снова.

Механизмы разрушения материалов FRC включают расслоение , внутрислойное растрескивание матрицы, продольное расщепление матрицы, нарушение связи между волокном и матрицей, выдергивание волокна и разрыв волокна. ^[1]

Разница между древесно-пластиковым композитом и армированным волокном композитом:

Характеристики

Основные принципы

Соответствующее «среднее» значение свойств отдельных фаз, которое следует использовать при описании поведения композита при растяжении, можно пояснить со ссылкой на рис. 6.2. Хотя

Этот рисунок иллюстрирует композит в виде пластины, результаты, которые следуют далее, в равной степени применимы к волокнистым композитам, имеющим схожие фазовые конфигурации. Двухфазный

Материал рис. 6.2 состоит из пластин и фаз толщиной и . и соответственно. Таким образом, объемные доли ( , ) фаз равны и . ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle l_{\alpha }}$ ${\displaystyle l_{\beta }}$ ${\displaystyle V_{\alpha }}$ ${\displaystyle V_{\beta }}$ ${\displaystyle V_{\alpha }={\frac {l_{\alpha }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}}$ ${\displaystyle V_{\beta }={\frac {l_{\beta }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}}$

Случай I: одинаковое напряжение, разная деформация

Растягивающая сила F приложена перпендикулярно широким граням (размеры Lx L) фаз. В этой конструкции напряжение, испытываемое каждой из фаз (= F/ ), одинаково, но деформации ( , ), которые они испытывают, различны. Композитная деформация представляет собой объемное средневзвешенное значение деформаций отдельных фаз. ${\displaystyle L^{2}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{\alpha }}$ ${\displaystyle \varepsilon _{\beta }}$

${\displaystyle \vartriangle l_{\alpha }=\varepsilon _{\alpha }l_{\alpha }}$, ${\displaystyle \vartriangle l_{\beta }=\varepsilon _{\beta }l_{\beta }}$

Общее удлинение композита получается как ${\displaystyle \vartriangle l_{c}}$ ${\displaystyle \vartriangle l_{c}=N\vartriangle l_{\alpha }+N\vartriangle l_{\beta }}$

и составная деформация равна, = = = ${\displaystyle \varepsilon _{c}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{c}}$ ${\displaystyle {\frac {\vartriangle l_{c}}{N(l_{\alpha }+l_{\beta })}}}$ ${\displaystyle V_{\alpha }\varepsilon _{\alpha }+V_{\beta }\varepsilon _{\beta }}$ ${\displaystyle \sigma {\biggl (}{\frac {V_{\alpha }}{E_{\alpha }}}+{\frac {V_{\beta }}{E_{\beta }}}{\biggr )}}$

Композитный модуль ${\displaystyle E_{c}={\frac {E_{\alpha }E_{\beta }}{V_{\alpha }E_{\beta }+V_{\beta }E_{\alpha }}}}$

Случай II: разное напряжение, та же деформация

Волокна выровнены параллельно оси растяжения, деформации в обеих фазах равны (и такие же, как и композитная деформация), но внешняя сила разделена

неравномерно между фазами. ${\displaystyle F=F_{\alpha }+F_{\beta }=NL(\sigma _{\alpha }l_{\alpha }+\sigma _{\beta }l_{\beta })}$

${\displaystyle \sigma _{c}=\left({\frac {\sigma _{\alpha }l_{\alpha }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}+{\frac {\sigma _{\beta }l_{\beta }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}\right)=\sigma _{\alpha }V_{\alpha }+\sigma _{\beta }V_{\beta }}$

${\displaystyle E_{c}=V_{\alpha }E_{\alpha }+V_{\beta }E_{\beta }}$

Деформационное поведение

Когда волокно выровнено параллельно направлению матрицы и приложено к нагрузке как к одному и тому же случаю деформации. Волокно и матрица имеют объемную долю , ; напряжение , ; деформацию , ; и модуль , . И здесь = = . Одноосный ответ на напряжение-деформацию волокнистого композита можно разделить на несколько стадий. ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle V_{m}}$ ${\displaystyle \sigma _{f}}$ ${\displaystyle \sigma _{m}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{f}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{m}}$ ${\displaystyle E_{f}}$ ${\displaystyle E_{m}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{f}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{f}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{c}}$

На стадии 1, когда волокно и матрица деформируются упруго, соотношение между напряжением и деформацией следующее: ${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}E_{f}\varepsilon _{f}+V_{m}E_{m}\varepsilon _{m}=\varepsilon _{c}(V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m})}$

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

На этапе 2, когда напряжение для волокна больше предела текучести, матрица начинает пластически деформироваться, а волокно все еще эластично, соотношение между напряжением и деформацией следующее:

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

${\displaystyle E_{c}=V_{f}E_{f}+V_{m}\left({\frac {d\sigma _{m}}{d\varepsilon _{c}}}\right)}$

На стадии 3, когда матрица и волокно деформируются пластически, соотношение напряжений и деформаций следующее:

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

${\displaystyle E_{c}=V_{f}\left({\frac {d\sigma _{f}}{d\varepsilon _{c}}}\right)+V_{m}\left({\frac {d\sigma _{m}}{d\varepsilon _{c}}}\right)}$

Поскольку некоторые волокна не деформируются постоянно до разрушения, в некоторых композитах стадия 3 не наблюдается.

На стадии 4, когда волокно уже разрушилось, а матрица все еще деформируется пластически, соотношение между напряжением и деформацией следующее:

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

Однако это не совсем так, поскольку поврежденные волокна все равно могут нести некоторую нагрузку.

Армирование прерывистыми волокнами

В случае прерывистых волокон (их также называют усами, в зависимости от длины) растягивающее усилие передается от матрицы к волокну посредством касательных напряжений, которые возникают вдоль границы раздела волокно-матрица.

Матрица имеет смещение, равное нулю в средней точке волокна и максимальное на концах относительно волокна вдоль интерфейса. Смещение вызывает напряжение сдвига на границе раздела , которое уравновешивается напряжением растяжения волокна . — диаметр волокна, — расстояние от конца волокна. ${\displaystyle \tau _{m}}$ ${\displaystyle \sigma _{f}}$ ${\displaystyle d_{f}}$ ${\displaystyle x}$

${\displaystyle \tau _{m}(\pi d_{f})dx=\left({\frac {\pi d_{f}^{2}}{4}}\right)d\sigma _{f}}$

${\displaystyle {\frac {d\sigma _{f}}{dx}}={\frac {4\tau _{m}}{d_{f}}}}$

После очень небольшой деформации величина напряжения сдвига на конце волокна становится большой. Это приводит к двум ситуациям: расслоение волокна и матрицы или матрица, имеющая пластический сдвиг.

Если матрица имеет пластический сдвиг: межфазное напряжение сдвига . Тогда существует критическая длина , которая при , после определенного , остается постоянной и равна напряжению в состоянии равной деформации. ${\displaystyle \tau _{m}\leq \tau _{my}}$ ${\displaystyle l_{c}}$ ${\displaystyle l>l_{c}}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle \sigma _{f}}$

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

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

Это отношение называется «критическим отношением сторон». Оно увеличивается с композитной деформацией . Для того чтобы средняя точка волокна была напряжена до состояния равной деформации при композитном разрушении, ее длина должна быть не менее . ${\displaystyle {\frac {l_{c}}{d_{f}}}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{c}}$ ${\displaystyle d_{f}\sigma _{f}^{tensile}/2\tau _{my}}$

Затем вычислите среднее напряжение. Доля длины волокна, несущая напряжение, составляет . Оставшаяся часть несет среднее напряжение . ${\displaystyle \sigma _{f}(\varepsilon _{c})}$ ${\displaystyle {\frac {l-l_{c}}{l}}}$ ${\displaystyle {\frac {l_{c}}{l}}}$ ${\displaystyle \sigma _{f}(\varepsilon _{c})/2}$

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

Для среднее напряжение равно . ${\displaystyle l<l_{c}}$ ${\displaystyle \sigma _{m}ax/2}$ ${\displaystyle \sigma _{m}ax=2\tau _{my}l/d_{f}}$

${\displaystyle {\overline {\sigma }}_{f}={\frac {1}{2}}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left({\frac {l}{l_{c}}}\right)\quad l\leq l_{c}}$

Композитное напряжение модифицируется следующим образом:

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

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left({\frac {l}{2l_{c}}}\right)+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})\quad l\leq l_{c}}$

Приведенные выше уравнения предполагали, что волокна были выровнены по направлению нагрузки. Для прогнозирования прочности композита можно использовать модифицированное правило смесей , включая фактор эффективности ориентации , который учитывает снижение прочности из-за невыровненных волокон. ^[3] ${\displaystyle \eta _{0}}$

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

где — коэффициент эффективности волокна, равный для , и для . Если волокна идеально выровнены с направлением нагрузки, равен 1. Однако общие значения для случайно ориентированных составляют примерно 0,375 для двумерного массива в плоскости и 0,2 для трехмерного массива. ^[3] ${\displaystyle \eta _{f}}$ ${\displaystyle {\frac {l}{2l_{c}}}}$ ${\displaystyle l\leq l_{c}}$ ${\displaystyle \left[1-\left({\frac {l_{c}}{2l}}\right)\right]}$ ${\displaystyle l>l_{c}}$ ${\displaystyle \eta _{0}}$ ${\displaystyle \eta _{0}}$

Значительное усиление может быть обеспечено прерывистыми волокнами при условии, что их длина намного больше (обычно) малых критических длин. Например, MMC.

Если происходит расслоение волокна и матрицы, заменяется напряжением трения , где — коэффициент трения между матрицей и волокном, а — внутреннее давление. ${\displaystyle \tau _{my}}$ ${\displaystyle \mu P}$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle P}$

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

Это происходит в большинстве композитов на основе смол.

Композиты с длиной волокон менее вносят небольшой вклад в прочность. Однако при разрушении композита короткие волокна не разрушаются. Вместо этого они вытягиваются из матрицы. Работа, связанная с вытягиванием волокон, обеспечивает дополнительный компонент к работе разрушения и вносит большой вклад в прочность. ${\displaystyle l_{c}}$

Приложение

На рынке также есть приложения, которые используют только отходы. Наиболее распространенное применение — настилы для наружных террас, но его также используют для перил, заборов, ландшафтных пиломатериалов, облицовки и сайдинга, парковых скамеек, молдингов и отделки, оконных и дверных рам и мебели для помещений. См., например, работу Waste for Life , которая сотрудничает с кооперативами по сбору мусора для создания армированных волокном строительных материалов и решения бытовых проблем из отходов, которые собирают их члены: Домашняя страница Waste for Life

Использование натурального волокна в армированных полимерных композитах, потенциально пригодных для использования в автомобильной промышленности, может существенно помочь в разработке устойчивого управления отходами. ^[4]

Смотрите также

• Объемное соотношение волокон
• Механика разрушения
• Пластиковый композит (значения)
• Пластиковые пиломатериалы
• Древесно-пластиковый композит
• Пластик, армированный волокном

Ссылки

1. WJ Cantwell, J Morton (1991). "Ударопрочность композитных материалов — обзор". Composites . 22 (5): 347–62. doi :10.1016/0010-4361(91)90549-V.
2. Серопе Калпакджян, Стивен Р. Шмид. «Производственная инженерия и технологии». Международное издание. 4-е изд. Prentice Hall, Inc. 2001. ISBN 0-13-017440-8 . 
3. Soboyejo, WO (2003). "9.7 Влияние длины усов/волокон на прочность и модуль композита". Механические свойства конструкционных материалов. Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC  300921090.
4. AL-Oqla, Faris M.; Sapuan, SM (2014-03-01). «Натуральные армированные волокнами полимерные композиты в промышленных применениях: возможность использования волокон финиковой пальмы для устойчивой автомобильной промышленности» (PDF) . Журнал чистого производства . 66 : 347–354. Bibcode :2014JCPro..66..347A. doi :10.1016/j.jclepro.2013.10.050. ISSN  0959-6526.

3. Томас Х. Кортни. «Механическое поведение материалов». 2-е изд. Waveland Press, Inc. 2005. ISBN 1-57766-425-6