Fiber takviyeli kompozit - Fiber-reinforced composite

Bir elyaf takviyeli kompozit (FRC) a, kompozit yapı malzemesi , üç bileşenden oluşur:

1. süreksiz veya dağınık faz olarak lifler,
2. sürekli faz olarak matris ve
3. Arayüz olarak da bilinen ince interfaz bölgesi.

Bu, bileşen olarak pirinç kabuğu, pirinç kabuğu, pirinç kabuğu ve plastiği kullanan bir tür gelişmiş kompozit gruptur. Bu teknoloji, bir polimer matrisinde yüksek mukavemetli bir elyaf kompozit malzeme oluşturmak için selülozik atık akımlarından doğal elyafların rafine edilmesi, harmanlanması ve birleştirilmesi yöntemini içerir. Bu örnekte kullanılan belirlenmiş atık veya temel hammaddeler, atık termoplastikler ve pirinç kabuğu ve talaş dahil olmak üzere çeşitli selülozik atık kategorileridir.

Giriş

FRC, selülozik fiber moleküllerinin FRC malzeme matrisindeki reçinelerle çapraz bağlanmasıyla elde edilen ve mümkün kılınan yüksek performanslı fiber kompozittir ve olağanüstü yapısal özelliklere sahip bir ürün veren, tescilli bir moleküler yeniden mühendislik işlemi yoluyla sağlanır.

Bu moleküler yeniden mühendislik başarısı sayesinde, ahşabın seçilen fiziksel ve yapısal özellikleri, çağdaş ahşaba göre daha üstün performans özellikleri elde etmek için diğer kritik özelliklere ek olarak başarılı bir şekilde klonlanır ve FRC ürününe verilir.

Bu malzeme, diğer kompozitlerin aksine, 20 kata kadar geri dönüştürülebilir ve hurda FRC'nin tekrar tekrar kullanılmasına izin verir.

FRC malzemelerindeki arıza mekanizmaları, delaminasyon , intralaminer matris çatlaması, uzunlamasına matris bölünmesi, fiber/matris bağlarının ayrılması, fiber çekilmesi ve fiber kırılmasını içerir.

Ahşap plastik kompozit ve fiber takviyeli kompozit arasındaki fark:

Özellikleri	Plastik kereste	Ahşap plastik kompozit	FRC	Odun
geri dönüştürülebilir	Evet	Hayır	Evet	Evet
Ev İnşaatı	Hayır	Hayır	Evet	Evet
Su soğurumu	%0.00	%0.8 ve üzeri	%0.3 ve altı	%10 ve üzeri

Özellikleri

Gerilme direnci	ASTM D 638	15,9 MPa
Bükülme mukavemeti	ASTM D 790	280 MPa
eğilme modülü	ASTM D 790	1582 MPa
Arıza Yükü	ASTM D 1761	1,5 KN - 20,8 KN
Basınç Dayanımı		20.7MPa
Isı Geri Dönüşümü	BS EN 743 : 1995	%0.45
Su soğurumu	ASTM D 570	%0.34
Termit Dayanıklı	FRIM Test Yöntemi	3.6

Temel prensipler

Kompozit gerilme davranışını açıklamada kullanılacak olan ayrı faz özelliklerinin uygun "ortalaması" Şekil 6.2'ye referansla açıklanabilir. olmasına rağmen

bu şekil plaka benzeri bir kompoziti göstermektedir, takip eden sonuçlar benzer faz düzenlemelerine sahip fiber kompozitlere eşit derecede uygulanabilir. iki faz

Şekil 6.2'deki malzeme lamellerden ve kalınlık fazlarından oluşur ve . ve sırasıyla. Böylece, fazların hacim kesirleri ( , ) ve . ${\görüntüleme stili \alfa }$${\görüntüleme stili \beta }$${\displaystyle l_{\alfa }}$${\displaystyle l_{\beta }}$${\displaystyle V_{\alfa }}$${\displaystyle V_{\beta }}$${\displaystyle V_{\alpha }={\frac {l_{\alpha }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}}$${\displaystyle V_{\beta }={\frac {l_{\beta }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}}$

Durum I: Aynı stres, farklı gerginlik

Fazların geniş yüzlerine (boyutlar Lx L) normal olarak bir çekme kuvveti F uygulanır. Bu düzenlemede, her bir fazın (= F/ ) taşıdığı stres aynıdır, ancak deneyimledikleri gerinimler ( , ) farklıdır. kompozit gerinim, tek tek fazların gerilimlerinin hacimsel ağırlıklı ortalamasıdır. ${\ Displaystyle L^{2}}$${\displaystyle \varepsilon _{\alpha }}$${\displaystyle \varepsilon _{\beta }}$

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

Kompozitin toplam uzaması, şu şekilde elde edilir:${\displaystyle \vartriangle l_{c}}$${\displaystyle \vartriangle l_{c}=N\vartriangle l_{\alpha }+N\vartriangle l_{\beta }}$

ve bileşik gerinim , = = =${\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 )}}$

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

Durum II: farklı gerilim, aynı gerilim

Gerilme eksenine paralel olarak hizalanan lifler, her iki fazdaki gerinimler eşittir (ve kompozit gerinim ile aynıdır), ancak dış kuvvet bölünür

aşamalar arasında eşit olmayan ${\displaystyle F=F_{\alpha }+F_{\beta }=NL(\sigma _{\alpha }l_{\alpha }+\sigma _{\beta}l_{\beta })}$

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

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

deformasyon davranışı

Fiber, matrisin yönüne paralel olarak hizalandığında ve aynı gerinim durumu olarak yük uygulandığında. Elyaf ve matris ses kısma sahiptir , ; stres , ; zorlanma , ; ve modül , . Ve burada = = . Bir fiber kompozitin tek eksenli gerilme-gerilme tepkisi birkaç aşamaya ayrılabilir. ${\görüntüleme stili V_{f}}$${\displaystyle V_{m}}$${\displaystyle \sigma _{f}}$${\görüntüleme stili \sigma _{m}}$${\displaystyle \varepsilon _{f}}$${\displaystyle \varepsilon _{m}}$${\displaystyle E_{f}}$${\ Displaystyle E_{m}}$${\displaystyle \varepsilon _{f}}$${\displaystyle \varepsilon _{f}}$${\displaystyle \varepsilon _{c}}$

Aşama 1'de, hem lif hem de matris elastik olarak deforme olduğunda, stres ve gerinim ilişkisi şu şekildedir: ${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}E_{f}\varepsilon _{f}+V_{m}E_{m}\varepsilon _{m}=\varepsilon _{c}(V_{f }E_{f}+V_{m}E_{m})}$

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

2. aşamada, fiberin gerilimi akma geriliminden daha büyük olduğunda, matris plastik olarak deforme olmaya başlar ve fiber hala elastiktir, gerilim ve gerinim ilişkisi şu şekildedir:

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

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

3. aşamada, matris fiberin her ikisi de plastik olarak deforme olduğunda, gerilim ve gerinim ilişkisi şu şekildedir:

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

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

Bazı lifler kırılmadan önce kalıcı olarak deforme olmadığı için bazı kompozitlerde evre 3 gözlenemeyebilir.

4. aşamada, fiber zaten kırıldığında ve matris hala plastik olarak deforme olduğunda, stres ve gerinim ilişkisi şu şekildedir:

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

Ancak, arıza lifleri hala bir miktar yük taşıyabildiğinden, bu tamamen doğru değildir.

Süreksiz liflerle güçlendirme

Süreksiz lifler için (uzunluğa bağlı olarak bıyık olarak da bilinir), çekme kuvveti, lif-matris ara yüzü boyunca gelişen kesme gerilmeleri aracılığıyla matristen life iletilir.

Matrisin yer değiştirmesi, fiber orta noktasında sıfıra ve arayüz boyunca fibere göre uçlarda maksimuma eşittir. Yer değiştirme , lif çekme gerilimi ile dengelenmiş arayüzey kesme gerilimine neden olur . fiber çapıdır ve fiber ucundan olan mesafedir. ${\displaystyle \tau _{m}}$${\displaystyle \sigma _{f}}$${\görüntüleme stili df}$${\görüntüleme stili x}$

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

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

Sadece çok küçük bir gerinmeden sonra, fiber ucundaki kesme geriliminin büyüklüğü büyür. Bu iki duruma yol açar: fiber matris delaminasyonu veya plastik kaymaya sahip matris.

Matrisin plastik kayması varsa: arayüzey kayma gerilmesi . Sonra kritik bir uzunluk vardır o kesin sonra , sabit kalır ve eşit-gerginlik durumda strese eşittir. ${\displaystyle \tau _{m}\leq \tau _{benim}}$${\görüntüleme stili l_{c}}$${\displaystyle l>l_{c}}$${\görüntüleme stili x}$${\displaystyle \sigma _{f}}$

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

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

Oran, "kritik en boy oranı" olarak adlandırılır. Kompozit gerilme ile artar . Bir fiberin orta noktasının kompozit kırılmada eşit gerinim koşuluna gerilmesi için uzunluğu en az . ${\displaystyle {\frac {l_{c}}{d_{f}}}}$${\displaystyle \varepsilon _{c}}$${\displaystyle d_{f}\sigma _{f}^{gerilme}/2\tau _{benim}}$

Ardından ortalama stresi hesaplayın. Gerilme taşıyan lif uzunluğunun oranı . Kalan fraksiyon ortalama bir stres taşır . ${\displaystyle \sigma _{f}(\varepsilon _{c})}$${\displaystyle {\frac {l-l_{c}}{l}}}$${\displaystyle {\frac {l_{c}}{l}}}$${\displaystyle \sigma _{f}(\varepsilon _{c})/2}$

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

Çünkü ortalama stres ile birliktedir . ${\displaystyle l<l_{c}}$${\displaystyle \sigma _{m}ax/2}$${\displaystyle \sigma _{m}ax=2\tau _{my}l/d_{f}}$

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

Kompozit stres aşağıdaki gibi değiştirilir:

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

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

Yukarıdaki denklemler, liflerin yükleme yönü ile hizalı olduğunu varsayıyordu. Yanlış hizalanmış liflerden kaynaklanan mukavemet düşüşünü açıklayan bir yönlendirme verimlilik faktörü de dahil olmak üzere kompozit mukavemetini tahmin etmek için değiştirilmiş bir karışım kuralı kullanılabilir . ${\görüntüleme stili \eta _{0}}$

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

fiber verimlilik faktörü nerede için ve için eşittir . Fiberler yükleme yönü ile mükemmel bir şekilde hizalanırsa 1'dir. Bununla birlikte, rastgele yönlendirilmiş için ortak değerler, düzlem içi iki boyutlu bir dizi için kabaca 0.375 ve üç boyutlu bir dizi için 0.2'dir. ${\displaystyle \eta _{f}}$${\displaystyle {\frac {l}{2l_{c}}}}$${\displaystyle l\leq l_{c}}$${\displaystyle \sol[1-\sol({\frac {l_{c}}{2l}}\sağ)\sağ]}$${\displaystyle l>l_{c}}$${\görüntüleme stili \eta _{0}}$${\görüntüleme stili \eta _{0}}$

Uzunluklarının (genellikle) küçük kritik uzunluklardan çok daha büyük olması koşuluyla, süreksiz liflerle kayda değer takviye sağlanabilir. MMC'ler gibi.

Fiber matris delaminasyonu varsa. Sürtünme stres ile değiştirilir matris ile fiber arasındaki sürtünme katsayısı, ve bir iç basınçtır. ${\ Displaystyle \ tau _ {benim}}$${\görüntüleme stili \mu P}$${\görüntüleme stili \mu }$${\görüntüleme stili P}$

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

Bu, çoğu reçine bazlı kompozitte olur.

Lif uzunluğu daha kısa olan kompozitler, mukavemete çok az katkıda bulunur. Ancak kompozit kırılma sırasında kısa lifler kırılmaz. Bunun yerine matristen çıkarılırlar. Fiber çekme ile ilgili çalışma, kırılma çalışmasına ek bir bileşen sağlar ve tokluğa büyük katkısı vardır. ${\görüntüleme stili l_{c}}$

Uygulama

Piyasada sadece atık malzemelerin kullanıldığı uygulamalar da bulunmaktadır. En yaygın kullanımı dış mekan güverte döşemelerinde olmakla birlikte, korkuluk, çit, peyzaj ahşapları, giydirme ve dış cephe kaplamaları, park bankları, pervaz ve trim, pencere ve kapı çerçeveleri, iç mekan mobilyalarında da kullanılmaktadır. Örneğin, üyelerinin topladığı atıklardan elyaf takviyeli yapı malzemeleri ve ev sorunları yaratmak için çöp toplama kooperatifleriyle işbirliği yapan Waste for Life'ın çalışmasına bakın : Hayat İçin Atık Ana Sayfası

Ayrıca bakınız

• Fiber hacim oranı
• Kırılma mekaniği
• Plastik kompozit (anlam ayrım)
• Plastik kereste
• Ahşap plastik kompozit
• Fiber takviyeli plastik

Referanslar

3. Thomas H. Courtney. "Malzemelerin Mekanik Davranışı". 2. Baskı. Waveland Press, Inc. 2005. ISBN  1-57766-425-6