בדיקת מתח של חומרים פולימריים מחוזקים בסיבים

הכוח של חומר FRP קשור ישירות לחוזק הסיבים הבודדים ולכמות הסיבים שניתן להכניס לנפח יחידה. תיאורטית, אפשר להשיג עד 90% סיבים לפי נפח; עם זאת, צפיפות גבוהה זו של סיבים לא ניתן להשיג באמצעות תהליכי ייצור מסחריים קיימא מבחינה כלכלית. בדרך כלל, רוב יישומי החומר FRP בהנדסה אזרחית יש סביב 50-60% סיבים לפי נפח.

ישנם מספר סוגים של חומרים FRP המבוססים על סוגים שונים של סיבים, כגון פולימרים מחוזקים סיבי זכוכית (GFRP), פולימרים מחוזקים סיבי פחמן (CFRP), ופולימרים מחוזקים סיבי ארמיד (AFRP). ארמידים הם סוג של פולימרים סינתטיים, בדומה לניילון, המציגים כוח יוצא דופן ועמידות לשינויי טמפרטורה. טבלה 1 מציגה את מגוון המאפיינים השונים של כל סוג של סיבים. יש לתרגל את הטיפול בעת הערכת ההתאמה של חומרי FRP ליישום מסוים על מנת להתאים לחומר הבסיס ולתכונות FRP, כגון הבטחת מקדמים תרמיים משלימים של הרחבה כדי להבטיח התנהגות נכונה לטווח ארוך. בנוסף, יש לאשר כי קיים חוסר אינטראקציה כימית בין FRP לבין חומר הבסיס, כמו סיבים רבים ושרפים רגישים קורוזיה, לחות, וטמפרטורה גבוהה הן ייצור ושימוש.

תכונה	סיבי זכוכית	סיבי פחמן	סיבי ארמיד
חוזק	גבוה	גבוה מאוד	גבוה
נוקשות	נמוך	גבוה מאוד
יציב תרמית	<1500 מעלותפרנהי	<3500מעלות פרנהי	± 350מעלות פרנהי
עמידות בפני פגיעה	נמוך	נמוך	גבוה
עמידות בלחות	רגיש	עמיד מאוד	רגיש
עמידות כימית	רגיש	עמיד מאוד	עמיד מאוד
מוליכות	מבודד מאוד	מוליכות גבוהה	מוליכות נמוכה
מחיר	$	$$$	$$

טבלה 1. מאפייני חומר FRP.

מעבר ליישום האוניאקסיאלי הפשוט ביותר בברים חוזרים, ישנם יישומים רבים המשתמשים בערימות של סיבים חד-מיניים בכיוונים ספציפיים או אקראיים כדי ליצור חומרים למינציה.

ברוב המקרים, לוחות אלה עדיין אורתוטרופיים, אבל עכשיו עם שני כיוונים חזקים וכיוון חלש אחד (מחוץ למישור). בהרכבה של מבנים אלה, ישנן שלוש הגדרות חשובות שיש לקחת בחשבון. רובד הוא שכבה אחת של מחצלת סיבים או גיליון פרה-גיליון אחד לפני ההקדמה. גיליון pre-g הוא מחצלת סיבים ספוגה שרף, נרפא מראש תחת חום, לחץ, או שניהם, ומיועד ליישומי שדה שבו, למשל, הגיליון יהיה מודבק למשטח קיים כדי לחזק אותו. למינציה היא ערימה נרפאת של כמה plies. שים לב כי למינציה יכול להיות מורכב plies עם סיבים שונים או נפחי סיבים, המוביל התאמה אישית קלה של FRP לשימוש המיועד שלה. למינציה משמשים כאשר ניתן להחיל את ה- FRP על משטח חלק ויש צורך בכיסוי חלקי בלבד; פליים וגליונות pre-preg משמשים בעת גלישת אלמנטים מבניים שלמים והיכן פני השטח אינו אחיד.

בעת יצירת למינציה, לחץ צריך להיות מופעל כדי לסחוט כמה שיותר שרף על מנת להגדיל את נפח הסיבים. כמה שרפים נפוצים המשמשים בחומרי FRP כוללים אפוקסי, וינילאסטרים, פוליאסטרים. הפונקציה העיקרית של שרף היא להעביר מתח בין סיבים סמוכים במטריצה כדי להגן על הסיבים מפני נזק מכני וסביבתי כאחד. פולימר צפים הם בדרך כלל נגזרות פטרוכימיות או גז טבעי והוא יכול להיות תרמוסט או תרמופלסטיק. בעוד תרמוסטים לא ניתן לעוות על ריפוי, תרמופלסטיקה, כגון פוליאסטרים אסטרים ויניל, מעוותים crosslinked על ריפוי, ובכך להקנות התנגדות תרמית גדולה יותר. שני סוגי הפולימרים יכולים לשמש בחומרים מרוכבים ויכולים להפיק תועלת בשילוב עם חיזוק סיבים. עם זאת, רוב הפולימרים התרמופלסטיים אינם משמשים בצורה מורכבת, שכן הם כבר מפגינים חוזק גבוה, בעוד פולימרים תרמו-מרגיזים דורשים בדרך כלל כמויות סיבים גבוהות של סיבים חזקים על מנת להשיג את אותו כוח. תרמוסטים הם הפולימר הדומיננטי בתעשייה המורכבת הנוכחית, שכן המגוון הרחב של פולימרים זמינים יכול לספק כמעט כל יישום שימוש קצה מתקבל על הדעת. שארפי הפולימר נבחרים ומותאמים לכל יישום בנפרד, בהתבסס על התכונות הפיזיות והמכניות של המוצר ודרישות תהליך הייצור.

בנוסף לסיבים ולשרף חיזוק, ישנם גם חומרי מילוי ותוספים הממלאים תפקיד חשוב במערכת המורכבת. חומרי מילוי ותוספים מעבדים עוזרים שמעניקים מאפיינים "מיוחדים" כדי להתאים את המוצר הסופי למפרט הרצוי. חומרי מילוי או מאריכים משמשים במערכות חומר מרוכבים רבים ויש להם שלוש פונקציות עיקריות:

1. כדי לשפר תכונות מכניות מסוימות, כגון חוזק דחיסה, התנגדות אש, התפשטות סדק, והתנגדות כימית.
2. כדי לשפר את יכולת העיבוד של מערכת מרוכבים, כגון אחידות של תכונות פיזיות וגימור פני השטח.
3. כדי להפחית את עלות החומר על ידי החלפת חלק הפולימר היקר יותר וחיזוק במערכת.

כמה חומרי מילוי נפוצים כוללים סידן פחמתי, חימר, טלק, סיליקה, נציץ, מיקרוספירות; עם זאת, המילוי הנפוץ ביותר הוא סידן פחמתי בגלל העלות הנמוכה והזמינות שלו.

מצד שני, תוספים מכסים מגוון רחב של חומרים שונים המשמשים בכמויות קטנות יחסית, אך בכל זאת ממלאים תפקיד אינטגרלי בעיבוד ובביצועי המוצר הסופי של המרוכבים. תוספים ממלאים מספר רב של תפקידים, כגון:

1. כדי לשנות את שיעור הריפוי.
2. כדי להאריך את חיי המדף ולמנוע התכווצות.
3. כדי לשפר את יכולת מזג האוויר ולהפחית את הצמיגות.
4. כדי להוסיף צבע ולהפחית נקבוביות.

כמה תוספים נפוצים כוללים זרזים ויזמים, המשמשים להשפיע על התרופה של פולימרים תרמוסט, מעכבים, כדי לשלוט על תגובת התרמוסט, סוכני שחרור, כדי לאפשר חלקים להיות מוסר בקלות רבה יותר מן התבנית שלהם, כמו גם פיגמנטים, בולמי UV, מעכבי אש.

כאשר בוחנים את כל מערכת החומרים FRP (סיבים, שרף, חומרי מילוי, ותוספים), הגורמים העיקריים המשפיעים על המאפיינים המכניים של FRP הם סוג של חיזוק סיבים, נפח סיבים, כיוון סיבים, סוג שרף, תהליך הייצור, ובקרת איכות.

עבור שלושת המעמדות העיקריים של סיבים המשמשים FRPs - פחמן, ארמיד וזכוכית - התנהגות מתח-זן לכישלון היא ליניארית בעיקרו, ואת הסיבים יש יכולת מאמץ נמוכה מאוד. מאפיין זה גורם לכשלים פתאומיים, ללא כל עדות לצינורות.

בעת מידול סיבים והתנהגות מטריצה, או את יכולת המתח של השרף או הסיבים יכול לשלוט על ההתנהגות המכנית. בפועל, החומר יהיה הטרוגני מאוד בקנה מידה קטן בין הסיבים והמטריקטורה; עם זאת, למטרות דוגמנות ועיצוב, אנו רואים את זה הומוגני עם מודולוס שווה ערך של גמישות המבוססת על כלל התערובות. כלל התערובות מכתיב כי המאפיינים השונים של חומרים מרוכבים יהיו תוצאה של הממוצע המשוקלל מהחלקים המרכיבים, בין אם במקביל או בסדרה. לפני פיצוח של סיבים בחומרי FRP או לפני פיצוח של מטריצה ב- FRC, החומר המורכב יתנהג על פי כלל התערובות:

σ_c = σ_mV_m + Ση_fiσ_fiV_fi
V_m + ΣV_fi = 1

σ_c = חוזק של מרוכבים
V_m = שבר נפח של הסיבים
σ_m = חוזק המטריצה
V_m = שבר נפח של המטריצה
σ_fi = חוזק הסיבים

איפה
N_f = 0.375, לסיבים אקראיים
N_f = 1, לסיבים חד-כיווניים לחוצים בכיוון סיבים
N_f = 0, עבור סיבים חד-כיווניים לחוצים בניצב לכיוון הסיבים

משוואה דומה יכולה לשמש לחישוב מודולוס האלסטיות (E_c)של מרוכבים. שקול בד מרוכבים היברידי ארוג המורכב מסיבי ארמיד (s_f1 = 500,000 psi, E_f1 = 50x10 6 psi) וסיבי^פחמן (s_f2 = 300,000 פסאיי, E_f2 = 15x10⁶ psi) במטריצה אפוקסי (s_m = 8,000 psi ו- E_m = 0.50x10⁶ psi). בבד זה, סיבי הפחמן פועלים בכיוון 0^o, ואת סיבי ארמיד לרוץ בכיוון 90^o. שבר נפח הסיבים הכולל הוא 0.60, עם נפח שווה של סיבי פחמן ותרמיד. החוזקות והמודלוס בשני הכיוונים הניצבים הם:

s_c,0° = s_m V_m + S h_fis_fi V_fi = (8)(0.4)+(300)(0.6) = 183.2 ksi = s₁

s_c,90° = s_m V_m + S h_fis_fi V_fi = (8)(0.4)+(500)(0.6) = 303.2 ksi = s₂

E_c,0° = E_m V_m + S h_fiE_fi V_fi = (0.5)(0.4) + (50)(0.6)= 30.2 x 10⁶ ksi = E₁

E_c,90° = E_m V_m + S h_fiE_fi V_fi = (0.5)(0.4) + (15)(0.6)= 9.2 x 10⁶ ksi = E₂

בנוסף, בעת עיצוב חומרי FRP, הסיבים חייבים להיות ארוכים מספיק כדי לשבור, אבל לא לשלוף את החומר. עבור רוב היישומים הנפוצים, סיבים הם יותר ממספיק זמן, אבל בכל זאת חייב להיחשב נדרש עיצוב.

כדי להדגים ולהשוות את התנהגות מתח-זן של שני סוגים של FRP, FRP זכוכית חלשה יחסית FRP פחמן חזק, בדיקות מתח פשוטות יבוצעו כמתואר הבא. בעיה חשובה בבדיקת חומרים אלה היא כי מטריצה רכה יכול להיפגע בקלות על ידי אחיזות מתכת קשה, המוביל לכשלים ממש מחוץ לאחיזה. בדיקות שנכשלות באופן זה אינן נחשבות בדרך כלל לתוצאות תקפות. הליך פשוט שנתן תוצאות משביעות רצון מתואר להלן.

עקומות אופייניות של מאמץ מתח עבור דגימות לוח FRP מזכוכית אלקטרונית מוצגות עבור הצלחת עם שתי השכבות האוקסיאליות מיושרות לאורך (איור 1) ובהתאמה בניצב (איור 2) לכיוון הטעינה. במקרה של העומס החל במקביל לסיבים (איור 1), הכוח המרבי היה 12.32 kips, המקביל כוח מתיחה של 98.6 ksi. הכישלון התרחש בזן של 2.98% ומודולוס האלסטיות, המחושב מתוך משיק קו ב -30% מהעומס האולטימטיבי, היה 5686 ksi. מאחר שלא נעשה שימוש בהסטנסומטר, יש להתייחס לערך זה רק כמעיד על מודולוס של הצעיר. ההתנהגות היא ליניארית במהותה לכישלון. התוצאות סבירות עבור חומר שצוין בנפח סיבי זכוכית E 50%.

איור 1: עקומות מתח-מאמץ עבור צלחת FRP זכוכית E: עומס מיושם במקביל עם הסיבים.

במקרה של העומס להחיל בניצב על הסיבים (איור 2), הכוח המרבי היה 2.72 kips, המקביל כוח מתיחה של 10.9 ksi. הכישלון התרחש בזן של 2.24 ומודולוס של גמישות, המחושב מטנגנס קו ב -30% מהעומס האולטימטיבי, היה 640 ksi.

איור 2: עקומות מתח לצלחת FRP מזכוכית אלקטרונית: עומס מיושם בניצב על הסיבים.

כצפוי, היה הבדל גדול מאוד בין שני הכיוונים כפי שמוצג בגרף ההשוואה (איור 3). זה מדגיש את ההתאמה של המאפיינים החומריים; במקרה זה יש לנו חומר שהוא חזק בכיוון אחד וחלש באחר.

איור 3: עקומות מתח-מאמץ עבור צלחת FRP זכוכית E: עומס מיושם במקביל (כחול) ובהתאמה, בניצב (כתום) על הסיבים.

משטחי הכישלון מעידים על כך, כאשר זה לסיבים מיושר לאורך מראה סיבים שבורים רבים ואת זה עם הסיבים מיושרים בניצב מראה את המשטח הטיפוסי עבור כשל שרף בממשק.

העלילה בתמונה 4 מראה השוואה של ההתנהגות של מוטות ברזל FRP. יש ירידה משמעותית מאוד בכוח (גורם של כ -2) ומודולוס של גמישות (כגורם של 4) להקטין כאשר אנו משווים את FRP פחמן עקומות FRP זכוכית E. כל החומרים FRP אלה ניתן לראות יש מעט מאוד או ללא משיכות, נכשל מיד לאחר נשיאת המטען המרבי שלהם.

איור 4: עקומות מאמץ ליניאריות עבור זכוכית E (כתומה) ובהתאמה, מוטות ברזל FRP פחמן (כחול).

חומרי FRP הם קלים, מרוכבים חזקים המשמשים בהרחבה הן ביישום אזרחי, מכני והן ביישומים אוויריים. הם מורכבים מסיבים חזקים המוטמעים שרף או מטריצה דומה, והם מיוצרים בצורות רבות, כולל רצועות הכנה למינציה. כוחם ונוקשותם יכולים להיות מותאמים על ידי שינוי הכמויות, הסוגים והכיווניות של הסיבים. לחומרי FRP יש יכולת עיוות קטנה בהרבה ממתכות או פולימרים והם נותנים אזהרה קטנה על כישלון, ולכן חשוב ללמוד את האופן והמכניקה של כישלון.

חומרי FRP משמשים בשלל יישומים להנדסה אזרחית, החל מהובלה לחומרי בנייה, יישומים ימיים ועד אלקטרוניים ואפילו מוצרי צריכה ועד ציוד עסקי. ישנם עמודי GFRP ומגדלים לקווי חשמל וטלפון תלויים, חדרי מדרגות FRP וחניונים, קירוי FRP, חיזוק קיר ים, פגושים ימיים FRP, ועיגון הקרקע שם כמה. הם משמשים גם בהרחבה לחיזוק ותיקון מבנים.

מבנים רבים בכבישים מהירים, כגון מערכת גשר פרודק ו- Auto Skyway, משתמשים בחומרי FRP כדי לסייע בחיזוק ותמיכה בעומסים החוצים את הגשר במערכות הכביש. אפילו מעקות הבטיחות שרואים בצדי הכבישים המהירים יכולים להיבנות באמצעות חומרי FRP. חומרי FRP משמשים גם להובלת אנשים מעל גשרים להולכי רגל, כגון גשר מועדון הגולף אבר פלדי בסקוטלנד וגשר ההליכה טירת שנק בקומבריה, בריטניה.

יישומים ימיים רבים משתמשים בחומרי FRP להתנגדותם לקורוזיה ומלח. FRP משמש בהרחבה בתעשיית השייט, כמו גם עבור מבנים ימיים וצינורות. חומרי FRP נראים לא רק ביישומי בנייה מעשיים, אלא גם ביישומים מהנים, כגון בצורות אדריכליות אמנותיות ורכבות הרים. פסל חץ הירי בסן פרנסיסקו, המכונה "קופידון ספן", עשוי מחומרי FRP, כמו גם הכן ברכבת הרים רבות בסיקס פלאגס בפריסה ארצית.