繊維強化高分子材料の引張試験

ソース: ロベルト ・ レオン、ブラックスバーグ, バージニア バージニア工科大学土木環境工学科

繊維強化高分子材料 (FRP) は、縦繊維高分子樹脂、それにより高分子マトリクスを作成する 1 つまたは複数の方向に沿って一直線に並べられた繊維に埋め込まれたによって形成される複合材料です。最も単純な形式で frp の繊維は直交異方性材料特性、材料が 2 つの方向で異なる動作が意味を与える従って整然とした、並列のファッションに配置されます。繊維に平行、材料になります非常に強い、および/または堅い、強さがマトリックスの全体ではなく樹脂に起因する、繊維に対して垂直になります非常に弱いが。

この一方向の構成の例は市販 FRP 補強筋、鉄筋コンクリート構造で使用される従来の鋼棒を模倣します。Frp は強化し、既存の構造を修復する歩道橋や階段などのスタンドアロンの構造とも材料としてを使用します。細長い板が強度を追加する既存のコンクリート構造物に epoxied した多くの場合。この場合、FRP のバーは、外部補強として機能します。FRP バーとプレートは、軽量化とより耐腐食性、ブリッジ デッキでアプリケーションを見つけること、駐車場、除氷スラットが従来のバーの急速な悪化につながるので。

この実験室の練習で一方向の試験片の引張特性、検討されるその終局耐力と変形能力に重点を置いて。供試体の挙動は、突然かつ爆発的に発生すると予想される障害まで弾性する予定です。この現象は、延性鋼は, 広範な変形能力を展示し、障害発生前に硬化のひずみと対比する必要があります。

FRP 材料の強さは、個々 の繊維の単位のボリュームに置くことができる繊維の強度に直結します。理論的に達成できる繊維 90% の高ボリュームでただし、この高密度繊維を経済的に実行可能な商業的製造プロセスを通じて実現できません。通常、土木工学のほとんどの FRP 材料用途約 50-60% を持ってボリュームによる繊維。

繊維、ガラス繊維強化ポリマー (GFRP) と炭素繊維強化複合材料 (CFRP)、アラミド繊維強化ポリマー (AFRP) などの別のクラスに基づく FRP 材料のいくつかの種類があります。アラミドは、合成ポリマーのナイロンと同様臨時の強さと温度変化への抵抗を示すクラスです。表 1 は、繊維の各クラスの特性の異なるさまざまなを示しています。基材と適切な長期的な動作を確保する拡張係数の相補的な熱を確保するなど、FRP のプロパティに一致させるために特定のアプリケーションのための FRP 材料の適合性を評価する際に注意が必要があります。多くの繊維と樹脂が腐食、湿気、および製造と使用の両方で高温に敏感に、さらに、1 つは FRP と母材の間の化学的相互作用の欠如があることを確認する必要があります。

表 1。FRP 材料の特性。

鉄筋に簡単な単軸アプリケーション以外に、積層材料の作成に固有またはランダムな方向の一軸性繊維のスタックを利用する多くのアプリケーションがあります。

ほとんどの場合、これらのプレートはまだ異方性が今、2 つの強力な方向と (平面) のうちの 1 つの弱い方向。これらの構造のアセンブリに考慮すべき 3 つの重要な定義があります。プライは、繊維マットまたは単一のプリプレグ シートの単一の層です。プリプレグ シートは、樹脂を含浸させた、熱、圧力、またはその両方で重合する前、フィールド アプリケーション向けのたとえば、シートに接着される強化のため既存のサーフェスに繊維マットです。ラミネートは、いくつかの層の硬化のスタックです。異なる繊維または繊維のボリューム、FRP、その使用目的を簡単にカスタマイズするとプライズのまでラミネートが可能に注意してください。滑らかな表面に FRP を適用できるだけ部分的に対応が必要な積層板を使用します。プライとプリプレグ シートは、全体構造要素および表面がもをラップするときに使用されます。

積層板を作成するには、圧力は繊維を増やすためにできるだけ多くの樹脂を絞り出すに適用する必要があります。FRP 材料で使用されるいくつかの一般的な樹脂は、エポキシ、vinylesters、ポリエステルをなど。樹脂の主要な機能は隣接したマトリックス繊維間ストレスで転送して機械・環境被害から繊維を保護します。ポリマー樹脂は一般に石油や天然ガスの誘導体、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂にすることができますか。一方、熱硬化性樹脂は、硬化、熱可塑性樹脂などのポリエステルとビニールのエステルをデフォルメし、硬化時に架橋に変形できない、それにより大きい熱抵抗を付与します。両方の種類のポリマーの複合材料で使用できる、強化繊維との組み合わせで受けることができます。しかし、熱可塑性ポリマーの大半は、熱硬化性ポリマーは、一般的に同じ強度を達成するために高強度繊維の高繊維ボリュームを必要と、彼らはすでに高強度を示す複合形で使用されません。熱硬化性樹脂は、さまざまな利用可能なポリマーは事実上あらゆる考えられる最終用途アプリケーションを満たすことができる現在の複合産業の主ポリマーです。ポリマー樹脂を選択し、製品や製造プロセスの要件の物理・力学特性に基づいて強く、各アプリケーションに合わせて調整します。

補強繊維と樹脂に加え、充填剤及び添加物複合システムで重要な役割を果たすこともあります。充填剤及び添加物は、希望の仕様を最終製品に合わせて「特別な」プロパティを伝える側近を処理です。フィラーまたはエクステンダー複合材料システムの多くで使用され、3 つの主関数があります。

1. 圧縮強度など、特定の機械的性質を改善するために耐火性、亀裂伝播や耐薬品性。
2. 複合材料システム、物理的特徴と表面粗さの均一性などの加工性を改善しました。
3. システムにいくつかのより高価なポリマーと補強を置き換えることにより材料費を抑える。

いくつかの一般的なフィラーは、炭酸カルシウム、粘土、タルク、シリカ、マイカ、微粒子;ただし、最も一般的なフィラーは、その低コストと可用性のため炭酸カルシウムです。

その一方で、添加物をカバーさまざまな異なった材料を比較的少量使用されますが、複合材料の加工と最終製品のパフォーマンスに不可欠な役割を果たします。添加物などの役割の無数を再生します。

1. 治癒率を変更します。
2. 棚寿命を拡張および収縮を防止します。
3. 耐候性を改善し、粘度を下げるため。
4. 色を追加し、気孔率を減らします。

いくつかの共通の添加物として触媒、プロモーター、阻害剤、熱硬化性樹脂の硬化に影響を与える使用される熱硬化性反応を制御する部分よりは、吸収体、顔料、紫外線と同様に、彼らの金型から簡単に削除されますになりますように、エージェントを解放し、火難燃剤。

FRP の機械的性質に影響を与える主な要因は繊維補強材、繊維、繊維配向、樹脂の種類、製造工程、型 FRP 材料システム全体 (繊維、樹脂、充填剤、添加剤) を検討する場合品質管理。

Frp ・ カーボンで使用される繊維の 3 つの主なクラスのアラミド繊維とガラス - 失敗に応力-ひずみ挙動は本質的に線形弾性と繊維は、非常に低歪みの能力を持っています。この特性は、靭性の証拠なしの突然の障害の結果します。

繊維とマトリックスの動作をモデル化する場合、樹脂のひずみ容量または繊維は、力学的挙動を管理できます。実習では、素材が繊維とマトリックス; の小規模で非常に異質になりますただし、モデリングと設計のために同質な混合物の規則に基づく弾力性の等価弾性係数の検討にそれ私たち。混合物の規則を指示、複合材料の様々 な性質が平行またはシリーズ構成部品から加重平均の結果であります。Frp の繊維の割れの前に、FRC のマトリックス割れの前に、複合材料の混合物の規則に従って動作は。

Σ_c = σ_mV_m + Ση_fiσ_fiV_fi
V_m + Σ = 1 V_fi

Σ_c = 複合材料の強度
V_m = 繊維体積率
Σ_m = マトリックスの強度
V_m行列の体積率を =
Σ_fi = 繊維の強度

どこ
N_f = 0.375、ランダムな繊維
N_f = 1、繊維方向を強調した一方向繊維の
N_f = 0 を強調した一方向繊維の繊維方向に垂直な

同じような式は、複合材料の弾性率 (E_c) の係数を計算するため使用できます。アラミド繊維の不織布のハイブリッド複合ファブリック構成を検討してください (s_f1 = 500,000 psi、E_f1 = 50 × 10⁶ psi) と炭素繊維 (s_f2 = 300,000 psi と E_f2 = 15 x 10⁶ psi) エポキシ マトリックス (s_m = 8,000 psiE_m = 0.50x10⁶ psi)。この生地、炭素繊維 0^o方向で実行、アラミド繊維は 90^oの方向で実行します。総繊維体積率が 0.60 カーボンとアラミド繊維の等量の。長所と 2 つの垂直方向の弾性率は次のとおりです。

s_{c、0 °} = s_m V_m + S h_fis_fi V_fi = (8)(0.4)+(300)(0.6) = 183.2 ksi s₁を =

s_{c、90 °} s_m V_m + S h_fis_fi V_fiの = = (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) = 10⁶ ksi x 30.2 = E₁

°_{C 90}E = E_m V_m + S h_fiE_fi V_fi = (0.5)(0.4) + (15)(0.6) = 10⁶ ksi x 9.2 = E₂

また、FRP 材料を設計するとき繊維必要がありますあります休憩、材料を引くのに十分な長さ。最も一般的なアプリケーションは、繊維が随分以上が、それにもかかわらず設計の前提条件を考慮する必要があります。

示すと FRP の 2 種類の応力-ひずみ挙動のコントラスト、比較的弱いガラス FRP と強いカーボン FRP、単純引張試験を行います次説明します。これらの材料のテストでの重要な問題はソフトのマトリックスがグリップのすぐ外の障害につながるハード ディスクの金属グリップで簡単に破損することができます。一般的に有効な結果を生成するは、この方法で失敗したテストは考慮されません。満足のいく結果を与えている簡単な手順を説明します。

1. 適切な安全対策を講じるし、これらの標本の代表的な爆発性障害は多くの小さい、鋭い破片が飛んでを送信するため、眼の保護を着用します。
2. 4 FRP 片を入手します。1"× 8" の標本、繊維の方向に沿って、1 つ、1 つの繊維に垂直に切る方向 0.5 インチ E ガラス FRP プレートから 2 つになります。3 番目の標本が 0.25 インチ カーボン FRP 鉄筋、第四は 0.25 FRP E ガラス鉄筋になります。鉄筋の標本は約 24 インチの長さをする必要があります。
3. 高強度エポキシ樹脂と空のスペース大きめ鋼円形と長方形断面とインフィルに試料の両端の 12 インチを埋め込むことによって楽器のホルダーを取り付けます。製造者の仕様に従って、エポキシの治療をしましょう。従来の UTM グリップにセレーションが樹脂を破壊して早期終了失敗につながるので、このタイプの最後の接続が必要です。
4. 他と同じように進んでそのソフトウェアの初期化、UTM をオンして引張試験。
5. グリップに試料を挿入してそれらを締めます。
6. 1 分あたり約 0.2 インチの割合でたわみ制御における試料をロードします。
7. 0.01 のひずみデマウントにヤング率を測定するため、伸縮計を使用する場合を確認します。
8. 供試体は、失敗に始まり、音や小さな破片が飛び出る標本、線維性の花のような構造に分割する材料の爆発失敗続いて落下して開始されます。

2 一軸層縦配置 (図 1) とプレートの E ガラス FRP 平板試験片の典型的な応力-ひずみ曲線が表示されますとそれぞれ垂直 (図 2) 荷重の方向に。繊維 (図 1) に適用される荷重の平行の場合、最大フォースは 12.32 キープ、98.6 ksi の引張強さに対応します。2.98% ひずみ時に障害が発生した、弾性率、耐力の 30% での接線から計算した 5686 ksi。伸縮計が使用できないのでこの値取られるべきのみとして示すヤング率の。動作は失敗する本質的に線形です。結果は、50 %e ガラス繊維量で指定した材料に適しています。

図 1: E ガラス FRP プレートの応力-ひずみ曲線: 繊維と並行して荷重。

繊維 (図 2) に適用される荷重の垂直の場合、最大フォースは 2.72 キープ、10.9 ksi の引張強さに対応します。2.24 のひずみで障害が発生した、弾性率、耐力の 30% での接線から計算された 640 ksi。

図 2: E ガラス FRP プレートの応力-ひずみ曲線: 繊維に対して垂直に荷重します。

予想通り、比較グラフ (図 3) で示すように、2 つの方向の非常に大きな違いがあった。これは、マテリアルのプロパティの tailorability を強調します。この場合は一方向に強く、他の弱い材料があります。

図 3: E ガラス FRP プレートの応力-ひずみ曲線: 荷重並列 (ブルー) あり、それぞれ、繊維に垂直に (オレンジ) です。

破断面はこれに証言、長手方向を示す繊維整列の 1 つ多数壊れた繊維と繊維のあるもの統一されたインターフェイスで樹脂の失敗の典型的な表面を垂直に示します。

図 4 のプロットは、FRP 鉄筋の挙動の比較を示しています。カーボン FRP と E ガラス FRP 曲線比較強さ (約 2 倍) と (約 4 倍) 弾力性の減少の率の非常に重要な低下があります。すべてのこれらの FRP 材料はほとんど見ることができるまたは彼らの最大の負荷を運ぶの直後に失敗なしの靭性。

図 4: 線形応力-ひずみ曲線 E ガラス (オレンジ) とそれぞれ炭素 (ブルー) 絶縁します。

FRP 材料は、光、両方市民、機械、および航空宇宙アプリケーションで広く使用されて強力な複合材料です。 彼らはガレージや類似のマトリックスに埋め込まれた強力な繊維から成っている、prepeg ストリップと積層板を含む多くの形態で生産します。 量、種類、および繊維の方向性を変化させることにより、強度と剛性をカスタマイズできます。 FRP 材料金属やポリマーよりもはるかに小さい変形能力がある失敗の少し警告を与える、従って方法と破壊の力学を研究することが重要です。

FRP 材料は、無数の建築材料、海洋電子アプリケーションとビジネス設備も消費者製品を輸送から土木工学アプリケーションで使用されます。 GFRP 棒と電源と電話線、FRP 階段をぶら下げ、駐車場、FRP 防水、護岸補強、FRP 海洋のフェンダーといくつかの名前に地盤アンカーのための塔があります。また広範囲を強化し、構造を修復する使用されます。

Prodeck ブリッジ システムや自動スカイウェイなどの多くの高速道路構造は、強化や道路システムで橋を横断する負荷をサポートするための FRP 素材を採用します。1 つは高速道路の両側に見るガードレールもは、FRP 素材を使用して構築できます。スコットランド Aber Feldy ゴルフ クラブ ブリッジなど英国カンブリアのシャンク城歩道橋の歩道橋の上の人々 を輸送にも使われる FRP 素材

多くの海洋アプリケーションは、FRP 用材料の耐腐食・塩を使用します。FRP は、海軍構造およびパイプラインだけでなく、ボート業界で広く使用されます。実用的な建築用途では楽しい FRP 材料をのみ見られない芸術的な建築様式やジェット コースターのようなアプリケーション。「キューピッドのスパン」という名前サンフランシスコで撮影矢印彫刻は、シックス フラッグス全国で多くのローラー コースターの台座、FRP 材料から作られます。