섬유 강화 고분자 재료의 인장 시험

FRP 재료의 강도는 개별 섬유의 강도와 단위 부피에 넣을 수있는 섬유의 양과 직접 관련이 있습니다. 이론적으로, 하나는 높은 달성 할 수 있습니다 90% 부피로 섬유; 그러나, 섬유의 이 높은 밀도는 경제적으로 실행 가능한 상업적 제조 프로세스를 통해 달성될 수 없습니다. 일반적으로 토목 공학의 대부분의 FRP 재료 응용 분야는 약 50-60%의 섬유를 부피별로 가지고 있습니다.

유리 섬유 강화 폴리머(GFRP), 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP), 아라미드 섬유 강화 폴리머(AFRP)와 같은 다양한 종류의 섬유를 기반으로 하는 여러 종류의 FRP 재료가 있습니다. 아라미드는 나일론과 유사한 합성 폴리머의 클래스로 온도 변화에 대한 탁월한 강도와 저항성을 나타낸다. 표 1은 섬유의 각 클래스의 다양한 특성을 나타낸다. 적절한 장기 행동을 보장하기 위해 확장의 보완열 계수를 보장하는 등 기본 재료 및 FRP 특성과 일치하기 위해 특정 응용 프로그램에 대한 FRP 재료의 적합성을 평가할 때 주의해야 합니다. 또한, 많은 섬유와 수지는 제조 및 사용 모두에서 부식, 수분 및 고온에 민감하기 때문에 FRP와 기저 물질 간의 화학적 상호 작용이 부족하다는 것을 확인해야 합니다.

특성	유리 섬유	탄소 섬유	아라미드 섬유
힘	높다	매우 높음	높다
강성	낮다	매우 높음
열안정	<1500ºF	<3500ºF	± 350ºF
충격 저항	낮다	낮다	높다
내습성	민감한	내성	민감한
내화학성	민감한	내성	내성
전도성	고절연	높은 전도도	낮은 전도도
값	$	$$$	$$

표 1. FRP 재료 특성.

레고에서 가장 간단한 uniaxial 응용 프로그램을 넘어, 라미네이트 재료를 만들기 위해 특정 또는 임의방향에서 uniaxial 섬유의 스택을 활용하는 많은 응용 프로그램이 있습니다.

대부분의 경우, 이 플레이트는 여전히 직교적이지만 지금은 두 개의 강한 방향과 하나의 약한 방향 (평면에서). 이러한 구조의 어셈블리에는 고려해야 할 세 가지 중요한 정의가 있습니다. ply는 섬유 매트 또는 단일 프리 프레그 시트의 단일 층입니다. 프리 프레스 시트는 수지함으로 함침된 섬유 매트로, 열, 압력 또는 둘 다하에서 미리 경화되며, 예를 들어 시트가 기존 표면에 접착되어 이를 강화하는 현장 응용 분야를 위한 것입니다. 라미네이트는 여러 플라이의 경화 스택입니다. 라미네이트는 다양한 섬유 또는 섬유 볼륨이 있는 플라이로 구성될 수 있어 의도된 용도에 대한 FRP를 쉽게 사용자 정의할 수 있습니다. 라미네이트는 FRP가 매끄러운 표면에 적용될 수 있고 부분 커버리지만 필요한 곳에 사용됩니다. 플라이와 프리 프리그 시트는 전체 구조 요소를 래핑할 때 와 표면이 고르지 않은 곳에서 사용됩니다.

라미네이트를 만들 때 섬유 부피를 늘리기 위해 가능한 한 많은 수지를 짜내기 위해 압력을 가해야 합니다. FRP 재료에 사용되는 몇 가지 일반적인 수지에는 에폭시, 비닐 에스테르 및 폴리 에스테르가 포함됩니다. 수지의 주요 기능은 매트릭스에 인접한 섬유 간에 응력을 전달하고 기계적 및 환경 적 손상으로부터 섬유를 보호하는 것입니다. 폴리머 수지는 일반적으로 석유 화학 또는 천연 가스 유도체이며 열집합 또는 열가소성 플라스틱일 수 있습니다. 열집합은 경화시 변형될 수 없지만 폴리에스테르와 비닐 에스테르와 같은 열가소성은 경화 시 변형되고 교차하여 더 큰 열 저항을 부여합니다. 두 유형의 폴리머는 복합 재료에 사용될 수 있으며 보강 섬유와 함께 이점을 누릴 수 있습니다. 그러나 열가소성 폴리머의 대부분은 이미 높은 강도를 나타내기 때문에 복합 형태로 사용되지 않는 반면, 열세설정 폴리머는 일반적으로 동일한 강도를 달성하기 위해 강한 섬유의 높은 섬유 볼륨을 필요로한다. Thermoset은 현재 복합 산업에서 지배적 인 폴리머이며, 사용 가능한 다양한 폴리머가 거의 모든 생각할 수있는 최종 사용 응용 프로그램을 만족시킬 수 있기 때문입니다. 폴리머 수지는 제품의 물리적 및 기계적 특성 및 제조 공정 요구 사항에 따라 각 개별 응용 분야에 맞게 선택되고 맞춤화됩니다.

강화 섬유 및 수지 외에도 복합 시스템에서 중요한 역할을하는 필러및 첨가제도 있습니다. 필러와 첨가제는 최종 제품을 원하는 사양에 맞게 조정하기 위해 "특수"특성을 부여하는 처리 보조보조기를 처리합니다. 필러 또는 익스텐더는 많은 복합 재료 시스템에서 사용되며 세 가지 주요 기능이 있습니다.

1. 압축 강도, 내화성, 균열 전파 및 내화학성과 같은 특정 기계적 특성을 개선합니다.
2. 물리적 특징및 표면 마감의 균일성과 같은 복합 시스템의 공정성을 향상시킵니다.
3. 시스템에서 더 비싼 폴리머 및 보강의 일부를 대체하여 재료 비용을 절감한다.

몇몇 일반적인 필러는 탄산칼슘, 점토, 활석, 실리카, 운하 및 미세구를 포함합니다; 그러나 가장 일반적인 필러는 저렴한 비용과 가용성 때문에 탄산 칼슘입니다.

한편, 첨가제는 비교적 소량으로 사용되는 다양한 재료를 커버하지만, 그럼에도 불구하고 복합체의 가공 및 최종 제품 성능에 필수적인 역할을 한다. 첨가제는 다음과 같은 무수한 역할을 합니다.

1. 치료 속도를 수정합니다.
2. 유통 기한을 연장하고 수축을 방지합니다.
3. 내성을 개선하고 점도를 줄이기 위해.
4. 색상을 추가하고 다공성을 줄이기 위해.

일부 일반적인 첨가제는 열집합 폴리머, 억제제의 치료에 영향을 미치는 데 사용되는 촉매 및 프로모터를 포함하며, 열성 반응, 방출제를 제어하여 부품이 곰팡이뿐만 아니라 안료, UV 흡수제 및 난연제를 보다 쉽게 제거할 수 있도록 합니다.

FRP의 기계적 특성에 영향을 미치는 주요 요인은 전체 FRP 재료 시스템(섬유, 수지, 필러 및 첨가제)을 고려할 때 섬유 보강, 섬유 부피, 섬유 배향, 수지 유형, 제조 공정 및 품질 관리 유형입니다.

FRP에 사용되는 섬유의 세 가지 주요 클래스의 경우 - 탄소, 아라미드 및 유리 - 고장으로의 스트레스 변형 동작은 본질적으로 선형 탄성이며 섬유는 매우 낮은 변형 용량을 가지고 있습니다. 이 특성은 연성의 증거없이 갑작스런 실패를 초래합니다.

섬유 및 매트릭스 거동을 모델링할 때 수지 또는 섬유의 변형 용량이 기계적 동작을 제어할 수 있습니다. 실제로, 재료는 섬유와 매트릭스 사이의 작은 규모에서 매우 이질적일 것이다; 그러나 모델링 및 설계 를 위해 혼합물규칙에 따라 동등한 탄성 계수로 균일하다고 간주합니다. 혼합물의 규칙은 복합 재료의 다양한 특성이 병렬 또는 일련의 구성 부품에서 가중 평균의 결과라고 지시합니다. FRP 재료또는 FRC에서 매트릭스의 균열 전에 섬유의 균열 전에, 복합 재료는 혼합물의 규칙에 따라 행동합니다 :

σ_c = σ_mV_m + θfiσ_fiV_fi
V_m + ΣV_fi = 1

σ_c = 복합재료의 강도
섬유의 V_m = 부피 분획
매트릭스의 σ_m = 강도
행렬의 V_m = 볼륨 분획
σ_fi = 섬유의 강도

어디
N_f = 0.375, 무작위 섬유용
N_f = 1, 섬유 방향으로 응고되는 단방향 섬유용
N_f = 0, 섬유 방향에 수직으로 응포된 단방향 섬유용

유사한 방정식은 복합체의 탄성(E_c)의계수를 계산하는 데 사용될 수 있다. 아라미드 섬유(s_f1 = 500,000 psi, E f1 = 50x10⁶ psi) 및 탄소 섬유(f2 = 300,000 psi 및 E_f2 = 15x10⁶ psi)로 구성된 직조 하이브리드 복합 원단을 에폭시 매트릭스(m = 8,000 psi)에서 고려하십시오. 이 직물에서 탄소 섬유는 0^o 방향으로 실행되며 아라미드 섬유는 90^o 방향으로 실행됩니다. 총 섬유 부피 분수는 0.60이며 탄소 와 아라미드 섬유의 양이 동일합니다. 두 수직 방향의 강점과 계수는 다음과 같습니다.

s_c,0° = s_m V_m + S h_{fs fi} V_fi = (8)(0.4)+(300)(0.6) = 183.2 ksi = s₁

s_c,90° = s_m V_m + S h_{fs 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_파이E_{Fi V Fi} = (0.5)(0.4) + (15)(0.6)= 9.2 x 10⁶ ksi = E₂

또한 FRP 재료를 설계할 때 섬유는 깨지기에 충분히 길어야 하지만 재료에서 꺼내지 않아야 합니다. 대부분의 일반적인 응용 분야에서 는 섬유가 충분히 길지만 그럼에도 불구하고 설계 필수 항목으로 간주되어야합니다.

두 가지 유형의 FRP, 상대적으로 약한 유리 FRP 및 강력한 탄소 FRP의 응력-변형 거동을 입증하고 대조하기 위해 다음 설명된 바와 같이 간단한 장력 테스트를 실시합니다. 이러한 재료를 테스트하는 데 중요한 문제는 소프트 매트릭스가 하드 금속 그립에 의해 쉽게 손상되어 그립 바로 바깥에 오류가 발생할 수 있다는 것입니다. 이러한 방식으로 실패한 테스트는 일반적으로 유효한 결과를 생성하는 것으로 간주되지 않습니다. 만족스러운 결과를 준 간단한 절차는 아래에 설명되어 있습니다.

E-유리 FRP 플레이트 시편에 대한 일반적인 응력-변형 곡선은 두 개의 단종층이 세로로 정렬된 플레이트(도 1) 및 각각 수직(도 2)을 적재 방향으로 나타내고 있다. 섬유(도 1)에 평행하게 적용된 하중의 경우, 최대 힘은 12.32kips였으며, 이는 98.6ksi의 인장 강도에 해당한다. 실패는 2.98 %의 변형과 탄성의 계수에서 발생, 최종 부하의 30 %에서 선 접선에서 계산, 5686 ksi이었다. extensometer를 사용하지 않았기 때문에이 값은 영의 계수를 나타내는 것으로만 취해야합니다. 동작은 기본적으로 실패에 선형입니다. 결과는 50% E-glass 섬유 부피로 지정된 재료에 대해 합리적입니다.

그림 1: E 유리 FRP 플레이트의 응력 변형 곡선 : 섬유와 평행하게 적용된 부하.

섬유에 수직으로 적용된 하중의 경우(도 2), 최대 힘은 2.72 kips였으며, 10.9ksi의 인장 강도에 해당하였다. 실패는 2.24의 변형에서 발생했으며, 탄성의 계수는 최종 하중의 30%에서 선 접선에서 계산된 640 ksi였다.

그림 2: E 유리 FRP 플레이트의 응력 변형 곡선: 섬유에 수직으로 적용된 부하.

예상대로, 비교 그래프에 도시된 바와 같이 두 방향 사이에는 매우 큰 차이가 있었다(도 3). 이것은 재료 특성의 맞춤성을 강조한다. 이 경우 우리는 한 방향으로 강하고 다른 방향으로 약한 물질을 가지고 있습니다.

그림 3: E 유리 FRP 플레이트에 대한 응력 변형 곡선 : 하중은 평행 (파란색)을 적용하고 각각 섬유에 수직 (주황색)을 적용합니다.

고장 표면은 이를 증거하며, 섬유에 대한 섬유는 수많은 깨진 섬유와 수직으로 정렬된 섬유와 수직으로 정렬된 섬유를 인터페이스에서 수지 실패에 대한 전형적인 표면을 나타낸다.

도 4의 플롯은 FRP 리바의 동작을 비교하는 것을 나타낸다. 탄소 FRP와 E 유리 FRP 곡선을 비교할 때 강도(약 2의 계수)와 탄성의 계수가 매우 현저한 감소(약 4의 요인)가 감소합니다. 이러한 모든 FRP 재료는 최대 부하를 운반한 직후에 거의 또는 전혀 연성을 갖지 못하는 것으로 볼 수 있습니다.

그림 4: E 유리 (주황색)와 각각 탄소 (파란색) FRP 정독에 대한 선형응력 변형 곡선.

FRP 재료는 민간, 기계 및 항공 우주 응용 분야에서 광범위하게 사용되는 가볍고 강력한 복합재입니다. 그들은 수지 또는 유사한 매트릭스에 내장 된 강한 섬유로 구성되어 있으며, 프리펙 스트립과 라미네이트를 포함하여 다양한 형태로 제조됩니다. 그들의 강도와 강성은 섬유의 양, 유형 및 방향성을 변화시킴으로써 맞춤화 될 수 있습니다. FRP 재료는 금속 또는 폴리머보다 훨씬 작은 변형 용량을 가지며 고장에 대한 경고를 거의 주지 않으므로 실패의 방식과 역학을 연구하는 것이 중요합니다.

FRP 재료는 운송에서 건축 자재, 해양, 전자 응용 분야, 심지어 소비재, 비즈니스 장비에 이르기까지 수많은 토목 공학 응용 분야에 사용됩니다. 전원 및 전화선, FRP 계단 및 주차장, FRP 지붕, 방파제 보강, FRP 해양 펜더 및 지상 앵커리지를 위한 GFRP 기둥과 타워가 있습니다. 또한 구조물을 강화하고 수리하는 데도 광범위하게 사용됩니다.

Prodeck 브리지 시스템 및 자동 스카이웨이와 같은 많은 고속도로 구조물은 FRP 재료를 사용하여 도로 시스템의 교량을 통과하는 하중을 강화하고 지원합니다. 고속도로 의 측면에 보이는 가드 레일조차도 FRP 재료를 사용하여 건설 할 수 있습니다. FRP 재료는 스코틀랜드의 애버 펠드리 골프 클럽 브리지와 영국 컴브리아의 생크 성 보도 교와 같은 보행자 다리를 통해 사람들을 수송하는 데 사용됩니다.

많은 해양 응용 분야는 FRP 재료를 사용하여 부식 및 소금에 대한 저항성을 발휘합니다. FRP는 보트 산업뿐만 아니라 해군 구조물 및 파이프 라인에 광범위하게 사용됩니다. FRP 재료는 실용적인 건축 응용 분야에서뿐만 아니라 예술 건축 형태 및 롤러 코스터와 같은 재미있는 응용 프로그램에서도 볼 수 있습니다. 샌프란시스코의 촬영 화살 조각, "큐피드의 스팬"라는 이름의, FRP 재료로 만들어집니다, 전국 식스 플래그의 많은 롤러 코스터의 받침대와 마찬가지로.