מה הם משקפי זכוכית סיבים?

סיבים זכוכית מורכב, הידוע גם פולימרים צהובים (GRP) או סיבים, הם חומרים מהונדסים המכילים סיבים זכוכית גבוהה סטריבית מוטבעת במריצה פולימרית, בדרך כלל epoxy, פוליסטר, או vinyl ester. סיבי הזכוכית מספקים חוזק רב עוצמה ונוקשות, בעוד המריצה נעה בין סיבים, מגן עליהם מפני התקפה סביבתית, או סולמות מתכת עם כוח ממתכת מעולה, עם כוח ממתכת מורכבת.

מרוכבים סיבי זכוכית הם בכל מקום בענפים החל מאווירה (למשל, radomes, לוחות פנימיים) ורכב (למשל, לוחות גוף, עלים מעיינות) לבנייה (למשל, לוחות גשר, קלפטינג, קלפטינג) ואנרגיה רוח (למשל, להבים טורבינות).

יסודות של Fracture ב Glass סיבים

פריקה בסיבים זכוכית מורכב היא הפרידה חלקית או מלאה של החומר תחת מתח.בניגוד מתכות, אשר לעתים קרובות להפגין כשל דוקטרי עם עיוות פלסטיק, סיבים זכוכית מורכב נוטה להיכשל בצורה מתפתלת או מחצנית.תהליך השבירה כרוך מנגנונים מרובים הפועלים ברמה המיקרו-מבנה:

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) מטריצה פצ'ינג'ר 1:1 - השרף הפולימרים מפתח מיקרו-קracks, אשר לעתים קרובות יזמה בפגמים או ריכוזי מתח.
  • (ב) ,0) , דיסדורינג'ר 1 (ב) ,הקשר בין סיבים וממטריקס נכשל, צמצום יעילות העברת העומס.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מנגנונים אלה לעתים רחוקות מתרחשים בבידוד; הם אינטראקציה ומגבירים אחד את השני, ובסופו של דבר מובילים לשבר מקרוסקופי.הסיבה הספציפית לכישלון תלויה בתנאי טעינה, איכות חומרית, חשיפה סביבתית והיסטוריית הייצור.

הסיבות העיקריות ל Fracture

נזק

השפעה היא אחד הגורמים הנפוצים ביותר של שבר במשאבים זכוכית.אפקטים נמוכים (למשל, כלי נפילה או ברד) יכול ליצור בקושי נזקי השפעה גלויים (BVID) - סדקים פנימיים וזיהומים שקשה לזהות באופן חזותי. סדקים אלה פועלים כמו העלאת מתח ויכולים להפיץ תחת עומסים עוקבים, מה שמוביל לכשלונות גבוהה (בעיות מפרישות) או שברים).

חומרת הנזק תלויה באנרגיה, בגיאומטריה של הפרויקט, ושקעה.לדוגמה, מחקר שפורסם ב-FLT:0Composites Part AcioFLT:1 מצא שאפילו השפעות קטנות יכולות להפחית את העוצמה הדחיסה של כוס /פסית להפליג על ידי יותר מ- 30%.

ריכוזי מתח וגיאומטרי דיסקנטינו

תכונות גיאומטריות כגון חורים, צמתים, פינות חדות, ושינויים פתאומיים בעובי יוצרים ריכוזי מתח מקומיים, לעתים קרובות כפיה על ידי גורם ריכוז (Kt) בנקודות אלה, הלחץ יכול להיות גבוה פי כמה מאשר הלחץ נומינאלי בחומר שמסביב.

לדוגמה, המפרקים המבוזרים ידועים לשמצה בגורמים לריכוזי מתח במבנים מורכבים.איכות הבור המסכן (למשל, קצוות מלוטשים ממקדחים) מחמירים את הבעיה.מעצבים יכולים להפחית זאת באמצעות מעברים הדרגתיים, פינות מעוגלות, ואופטימיזציה רצפים של כי ערוצים מתרחקים מאזורים קריטיים נוספים, ניתוח אלמנט סופי (FEA) מועסק באופן שגרתי לחיזוי מתחים ולהפחית אזורי ריכוז.

Fatigue Loading

שבר שומני מתרחש כאשר מורכב הוא נתון ללחץ מחזורי חוזר מתחת לחוזק סטטי שלה.סיבים זכוכית מציג הצטברות נזק מתקדם מתחת עייפות: מיקרו-קריפים מופיעים במריצה, propagate, ופחם; סיבים פורצים באופן סטוצ'אסטי; וממשקים degrade.הנוקשות של החומר יורדת בהדרגה עד שהמבנה לא יכול עוד לקיים את העומס החל.

חיי העייפות של סיבים זכוכית מושפע ממספר גורמים:

  • יחס של LT:0 (R)FLT:1 - יחס המינימום ללחץ מקסימלי; מחזורים של עשרות שנים הם יותר מזיקים מאשר אלה דחוסים.
  • (ב) ,0) ,FrequencyFLT:1 - תדרים גבוהים יותר יכולים לייצר חום פנימי ולהאיץ נזק אטומי במריצה.
  • (ב) ⁇ :0) מוסטאור וטמפרטורה (FLT:1) - תנאים היגדלים מפחיתים את התנגדות העייפות באופן משמעותי.

להבים טורבינות הרוח, העוברים מיליוני מחזורי עומס לאורך חייהם, הם דוגמה קלאסית. A Review in FLT:0Scientific ReportsFLT:1 הדגיש כי ממטריקס סדק ו delamination הם מצבי העייפות הדומיננטיים בזכוכית /טופס לליטר מתחת לעייפות.

גורמים סביבתיים

מרפלקסי סיבים זכוכית נחשפים לעתים קרובות לסביבות קשות שיכולות להפיג את החומר או פיזית ולקדם שבר.

  • (FLT:0)Moistureקליטת ספיגה 1:1 - מולקולות מים מתפוגג לתוך ממטריקס פולימר, גרימת הפלסטיזציה, נפיחות, הידרוליזה של השרף או סיבים המתפתלים.זה מחליש את המריצות ומפחית את כוח האגרה הסיבים-מטריקס, מה שהופך את העודף לסדקים.
  • (FLT:0) פיתוי קיצוני קיצוניות (FLT:1) - טמפרטורות גבוהות יכולות לרכך את הממטריקס, בעוד טמפרטורות נמוכות מגבירות את העפעף.הרכיבה הירומית (למשל, וריאציות של לילה) מעוררות מתחים פנימיים בשל חוסר התאמה באפקטי ההתרחבות התרמית בין סיבים למטריקס, המוביל למיקרו-מריצה.
  • (FLT:0Chemicalחשיפה FLT:1) - חשיפה לחומצות, בסיסים, פותרים או נוזלי דה-שיווי יכול לתקוף את השרף, גרימת שחיקה על פני השטח או השפלה כימית עמוקה.
  • (FLT:0)Ultraviolet (UV) קרינה קרינת קרינת קרינת אור ארוך (UV) קרינת אור השמש הממושכת מדגימה את שכבת פני השטח של הממטריקס, יצירת שכבת chalky, שבריר שתאפשר ליזום סדקים.

ציפויים מוגנים, ייצוב UV, ובחירת חומרים זהירה (למשל, באמצעות epoxy במקום פוליסטר לסביבות רטובות) הם אסטרטגיות הפחתה סטנדרטיות.

ייצור Defects

ההתנגדות השבירה של סיבים זכוכית מורכב מאוד תלוי באיכות תהליך הייצור. פגמים נפוצים כוללים:

  • (FLT:0) ו porosityFLT:1) - אוויר לכוד במהלך היתוך או ריפוי יוצר נקודות חלשות הפועלות כ initiators סדק. אפילו 1–2% תוכן ריק יכול להפחית את עוצמת ה- laminar על ידי 20% או יותר.
  • (FLT:0) רנסנס עשיר או resin-starved ZoneFLT 1:1 - הפצה לא חד-משמעית מובילה לריאציות מקומיות בנוקשות ובכוח.
  • (ב) [15] ,0 ,5b misalignmention: 1 (ב) , סיבים שאינם מוכוונים לאורך נתיב העומס המיועד להפחית את יכולת הנטל, ויכולים לגרום לשברת סיבים מוקדמים.
  • (ב) ויקרא: ויקרא י"ד): "ביחוד בזרעים עבים, סיבים עשויים לנבוע במהלך השכבות או לריפוי, יצירת עלייה בלחץ תחת עומסי דחיסה.
  • (ב) [ה]התר"א: [ה], יש לו תכונות מכניות נמוכות יותר, והוא נוטה יותר להצטמרר ולהידרדרות סביבתית.

טכניקות ייצור מתקדמות כגון מיקום סיבים אוטומטיים (AFP), שרף שואב אבק (VARTM), ובקרת תהליך חזקה להפחית פגמים אלה.אבטחת איכות רגילה באמצעות הערכה לא הרסנית (ראה FLT:0NDEFLT:1) שיטות - סריקה קולית, רדיוגרפיה, תרמוגרפיה - מסייע לזהות פגמים לפני שהם גורמים לכישלון.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

המונחים: breakage

סיבים זכוכית חזקים במתח אבל נכשלים באופן מתפתל בזן נמוך יחסית בהשוואה למטריקס (הצינוריות של אי ספיקת סיבים -2–3%).כאשר מורכב טעון, סיבים פורצים באופן אקראי בנקודות החלשות ביותר שלהם (מודלים של חלוקת Weibull זה כוח סטטיסטי זה), כמו יותר סיבים פורצים, העומס מחולק לסיבים סמוכים והמריצה.

בתוך מסובך חד-צדדי, פריחת סיבים מתרחשת לעתים קרובות במטוס אחד, המוביל לכישלון פתאומי של בריונים רב-צדדיים, סיבים שבורים בשכבה אחת יכול לגרום לדיכאון בממשק ply. מחקרים מיקרוסקופיים מתקדמים (למשל, באמצעות סריקה מיקרוסקופית אלקטרונים) לחשוף כי פריצה סיבית מלווה לעתים קרובות על ידי האקרים ממטריקס ואזורים מעוקלים סביב אתר האינטרנט פורץ.

מטריקס Cracking

מטריקס סדקים בדרך כלל להתחיל פגמים או בממשק הסיבים-מטריקס כאשר הלחץ הפורש במריצה עולה על כוחו.סדקים אלה לרוץ perpendicular לכיוון הטעינה ב plies off-axis (למשל, 90 מעלות שכבות). פעם נוצר, סדקים ממטריקס יכול להפיץ דרך עובי ply וקישור עם סדקים בשכבות סמוכים.

מטריקס סדק הוא לעתים קרובות מצב הנזק הראשון שנצפה בבדיקות עייפות.זה מקטין את הנוקשות של הכבש ומאפשר לחות באגרסיביות. oughened matrices (למשל, גומי מחומציות) יכול להגדיל את המתח אל-failure של השרף, מעכב את תחילת הסדקים.

דיון בין-גזעי

ממשק הסיבים-מטריקס הוא אזור קריטי. ממשק חזק מבטיח העברה יעילה של עומס מן הממטריקס אל הסיבים. Debonding מתרחשת כאשר הלחץ של Shear בממשק עולה על חוזק האג"ח שלו.זה נפוץ תחת עומס Tenile לטעון perpendicular או תחת טעינת שר (למשל, במבחן קצר-amar).

דיון יכול להיות סדק שמפריד בין הסיבים מהמטריקס או אזור מזחלות חיכוך. טיפול פני השטח סיבי - הידוע כ- sizing - ממלא תפקיד מכריע. sizing נכון (למשל, סוכני הפיכה סילניים) משפר את הרטט ואת האג"ח הכימי.סיבים הקשורים עניים יתקלקלו בקלות, המוביל לכישלון מוקדם, בעוד קשר חזק מאוד יכול להפוך את הממשק המתפתל מדי.

חיסון

דלמינציה היא הפרדתן של להקות צמודות בתרכובת מחוספסת.זה עניין גדול כי זה מפחית באופן דרסטי את השלמות המבנית, במיוחד תחת דחיסה או עקיימה.

  • אירועים (כפי שצוין לעיל).
  • לחץ חופשי על גבולות גיאומטריים.
  • צמיחה של סדקים ממטריקס קיימים המגיעים לממשק ply.
  • פגמים בייצור כגון פגיעה חמורה או חומר זר לכוד.

לאחר שיזם, דלמינציה יכולה להתפשט תחת עומס מחזורי או מתח דחוס גבוה, המוביל לבלוט ושבר קטסטרופלי. פרמטרים מכניקת Fracture - מצב I (פתיחת), מצב II (שרינג), ומצב III (התמורה) - משמשים לאפיין התנגדות דלמנטום.מבחן התותח הכפול (DC) הוא שיטה סטנדרטית למדידה של מצב Ilamin interlaminarness (Gc).

כישלונות מתקדמים ומודלים

מהנדסים משתמשים מספר תאוריות כישלונות כדי לחזות שבר במפרקי סיבים זכוכית.הנפוצים הנפוצים ביותר הם Tsai-Wu, האשם וקריטריונים Puck, אשר מהווים מצבי כישלונ שונים (fiber Tenile, סיבים דחוסים, matrix Tenile, matrix דחוס). קריטריונים אלה מיושמים ב- FEA תוכנה כדי לדמות התקדמות נזק.

מודלים של נזק מתמשך (CDM) לעקוב אחר ההשפלה של קשיחות חומרית כפי שנזק מצטבר.מודלים אזוריים קוהשטיביים (CZM) משמשים לדיכאון ולממשק debonding.כלים חישוביים אלה מאפשרים למעצבים להעריך סיכון שבר מוקדם במחזור הפיתוח, צמצום ההסתמכות על בדיקות פיזיות נרחבות.

מדדים מונעים ועיסוקים טובים

בחירה חומרית

בחירת סוג הסיבים הנכון (E-glass, S-glass, או זכוכית גבוהה סטרנגית), מערכת רזסין (epoxy, Polyester, vinyl ester, או thermoplastic), וכימיה מגרד יכול לשפר באופן דרמטי את ההתנגדות השבירה. לדוגמה, סיבי S-glass יש יותר חוזק ונוקשות מאשר E-glass, בעוד epoxy matrices בדרך כלל להציע התנגדות קשה יותר וסביבתית מאשר פוליסטר סביבתיים.

אופטימיזציה

עיצוב עם מעברים הדרגתיים, מלאות נדיבות, וערימות ply מאוזנות למזער ריכוזי מתח. השתמש באוריינטציות סיבים אופטימיזציה התואמים עם מסלולי העומס העיקריים.ביישומים קריטיים בעייפות, משלבים undancy ופגיעה בסובלנות באמצעות עיצוב (למשל, מסלולי עומס מרובים, תפרים, או z-pin-pining כדי למנוע את הפחתת החיסון).

איכות ייצור

יישום בקרה קפדנית של תהליך שרף, degassing, מחזור ריפוי, מיקום סיבים. השתמש שקע אוטומטי ואקום פיגור כדי להפחית פגמים. פוסט-cure בדיקה עם NDE (ultrasonic C-scan, X-ray coputed tomography) יכול לזהות aomalies מוקדם.

מאחזים מוגנים וגדרות סביבתיות

החל מעילי ג'ל, צבעים, או UV-resistant העליוןcoats כדי להגן על המורכב לחות, כימיקלים וקרינת UV. עבור יישומים תת-ימיים או גבוה-humidity, לשקול באמצעות חזרות עמיד לחות (למשל, vinyl ester) או הוספת שכבת לחות.

בדיקה ותחזוקה סדירה

בדיקות בשירות באמצעות בדיקות חזותיות, בדיקות הקש, או טכניקות NDE מתקדמות מאפשרות גילוי מוקדם של נזק לפני שהוא הופך קריטי.לדוגמה, להבים טורבינות רוח הם באופן קבוע לסרוק עבור פרוטוקולים תיקון (למשל, מילוי סדקים, קידוד סיביים שבורים) יכול להאריך את חיי השירות.

מחקרים ב- Real-World Fracture

מקרה אחד היטב שנקטף בכישלון של סיפון גשר מורכב זכוכית בשנות ה-90.הסיפון הציג דלמנטום נרחב וסדקים בתוך שנתיים של ההתקנה.חקירות גילו כי למערכת השרף יש התנגדות לחות גרועה, ואת תהליך הייצור הציג הרבה רִיק.השיעור: חשיפה סביבתית חייבת להיות תואמת עם מבחר חומר ותהליך חזק.

במגזר האווירופייס, סיבים מורכבים של זכוכית סבלו מנזקים שנגרמו על ידי שביתות ציפורים.זה הוביל לפיתוח של כימות היברידיות המשלבות זכוכית עם שכבות ארמידיות או תרמופלסטיות לספוג יותר אנרגיה השפעה ללא שבר קטסטרופלי.

מסקנה

פריקה במשאבים זכוכית היא לעתים רחוקות תוצאה של בעיה אחת; זה בדרך כלל שיאה של גורמים אינטראקציה מרובים - השפעה נזק, ריכוזי מתח, עייפות, השפלה סביבתית, פגמים בייצור.כל גורם גורם גורם גורם גורם גורם מצבי כישלונ מיקרו-מכניים נפרדים כגון פריצה, מטריקס סדקים, סדקים, interfacial debonding, ו delamination. על ידי הבנה של מנגנונים אלה וליישם חומר, עיצוב, מודלים מתקדמים, מודלים מתקדמים, מודלים מתקדמים יותר, תחזוקה, מודלים מתקדמים יותר, תכונות יותר, תכונות יותר, מודלים מתקדמים, יכולות לשפר את המורכבות של חומרים מתקדמים יותר, חומרים מתקדמים יותר, שיפור משמעותי של חומרים מתקדמים יותר, שיפור משמעותי יותר, כוח, חומרים מתקדמים יותר, שיפור יעיל יותר, שיפור משמעותי של חומרים מתקדמים יותר, שיפור משמעותי של קירור, שיפור משמעותי של חומרים מתקדמים של חומרים מתקדמים של סדקים, וגמישות, שיפור משמעותי יותר, שיפור משמעותי של חומרים מתקדמים, שיפור משמעותי של , שיפור משמעותי של חומרים מתקדמים יותר, סדקים, סדקים, תוך שיפור משמעותי יותר, סדקים, סדקים, סדקים, ייצור, שיפור משמעותי יותר, סדקים, סדקים, סדקים, סדקים, מנגנונים מתקדמים יותר, שיפור משמעותי יותר, שיפור משמעותי יותר, סדקים, סדקים