Fiberförstärkt komposit

En fiberarmerad komposit (FRC) är ett sammansatt byggmaterial som består av tre komponenter:

1. fibrerna som den diskontinuerliga eller dispergerade fasen,
2. matrisen som den kontinuerliga fasen, och
3. det fina interfasområdet, även känt som gränssnittet.

Detta är en typ av avancerad sammansatt grupp som använder sig av risskal, risskal, risskal och plast som ingredienser. Denna teknik involverar en metod för att förädla, blanda och blanda naturfibrer från cellulosaavfallsströmmar för att bilda ett höghållfast fiberkompositmaterial i en polymermatris. Det angivna avfallet eller basråvarorna som används i detta fall är avfall av termoplaster och olika kategorier av cellulosaavfall inklusive risskal och sågspån.

Fiberförstärkt komposit

Introduktion

FRC är högpresterande fiberkomposit som uppnåtts och möjliggjorts genom att tvärbinda cellulosafibermolekyler med hartser i FRC-materialmatrisen genom en egenutvecklad molekylär omkonstruktionsprocess, vilket ger en produkt med exceptionella strukturella egenskaper.

Genom denna bedrift av molekylär omkonstruktion klonas utvalda fysiska och strukturella egenskaper hos trä framgångsrikt och förlänas i FRC-produkten, förutom andra kritiska egenskaper för att ge prestandaegenskaper överlägsna moderna trä.

Detta material, till skillnad från andra kompositer, kan återvinnas upp till 20 gånger, vilket gör att skrot FRC kan återanvändas om och om igen.

Felmekanismerna i FRC-material inkluderar delaminering , intralaminär matrissprickning, longitudinell matrisdelning, fiber/matrisavbindning, fiberutdragning och fiberbrott.

Skillnad mellan träplastkomposit och fiberarmerad komposit:

Funktioner	Plastvirke	Träplastkomposit	FRC	Trä
Återvinningsbar	Ja	Nej	Ja	Ja
Husbyggnad	Nej	Nej	Ja	Ja
Vatten absorption	0,00 %	0,8 % och över	0,3 % och lägre	10 % och över

Egenskaper

Brottgräns	ASTM D 638	15,9 MPa
Böjhållfasthet	ASTM D 790	280 MPa
Böjmodul	ASTM D 790	1582 MPa
Felbelastning	ASTM D 1761	1,5 KN - 20,8 KN
Tryckhållfasthet		20,7 MPa
Värmeåtergång	BS EN 743: 1995	0,45 %
Vatten absorption	ASTM D 570	0,34 %
Termitresistent	FRIM testmetod	3.6

Grundläggande principer

Det lämpliga "genomsnittet" av de individuella fasegenskaperna som ska användas för att beskriva kompositdragbeteende kan belysas med hänvisning till fig. 6.2. Fastän

denna figur illustrerar en plattliknande komposit, resultaten som följer är lika tillämpliga på fiberkompositer med liknande fasarrangemang. De två fasen

materialet i fig. 6.2 består av lameller av $\alpha$ och $\beta$ faser av tjocklek $l_{\alpha }$ och $l_{\beta }$ . och respektive. Således är volymfraktionerna ( $V_{\alpha }$ , $V_{\beta }$ ) av faserna ${\displaystyle V_{\ alpha }={\frac {l_{\alpha }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}} och V β = l β l α + l β$ { $\ frac {l_{\beta }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}}$ .

Fall I: Samma stress, annan belastning

En dragkraft F appliceras vinkelrätt mot fasernas breda ytor (mått Lx L). I detta arrangemang är spänningen som bärs av var och en av faserna (= F/ $L^{2}$ ) densamma, men töjningarna ( $\varepsilon _{\alpha }$ , ${\displaystyle \varepsilon _{\beta }} )$ de upplever är olika. sammansatt stam är ett volymetriskt vägt medelvärde av stammarna i de individuella faserna.

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

Den totala förlängningen av kompositen, $\vartriangle l_{c}$ erhålls som $\vartriangle l_{c}=N\vartriangle l_ {\alpha }+N\vartriangel l_{\beta }$

och den sammansatta stammen $\varepsilon _{c}$ är, $\varepsilon _{c}$ = ${\frac {\ vartriangel l_{c}}{N(l_{\alpha }+l_{\beta })}}$ = $V_{\alpha }\varepsilon _{\alpha }+ V_{\beta }\varepsilon _{\beta }$ = $\sigma {\biggl (}{\frac {V_{\alpha }}{E_{\ alfa }}}+{\frac {V_{\beta }}{E_{\beta }}}{\biggr )}$

Sammansatt modul $E_{c}={\frac {E_{\alpha }E_{\beta }}{V_{\alpha }E_{\ beta }+V_{\beta }E_{\alpha }}}$

Fall II: olika spänningar, samma belastning

Fibrer som är inriktade parallellt med dragaxeln, töjningarna i båda faserna är lika (och samma som den sammansatta töjningen), men den yttre kraften är uppdelad

ojämnt mellan faserna. $F=F_{\alpha }+F_{\beta }=NL(\sigma _{\alpha }l_{\ alfa }+\sigma _{\beta }l_{\beta })$

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

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

Deformationsbeteende

När fibern är inriktad parallellt med matrisens riktning och appliceras belastningen som samma töjningsfall. Fibern och matrisen har volymfraktionen $V_{f}$ , $V_{m}$ ; stress $\sigma _{f}$ , $\sigma _{m}$ ; stam $\varepsilon _{f}$ , $\varepsilon _{m}$ ; och modul $E_{f}$ , $\displaystyle E_{m}}$ . Och här $\varepsilon _{f}$ = $\varepsilon _{f}$ = $\varepsilon _{c}$ . Det enaxliga spännings-töjningssvaret hos en fiberkomposit kan delas in i flera steg.

I steg 1, när fibern och matrisen båda deformeras elastiskt, är spännings- och töjningsrelationen ${ \displaystyle \sigma _{c}=V_{f}E_{f}\varepsilon _{f}+V_{m}E_{m}\varepsilon _{m}=\varepsilon _{c}(V_{f} E_{f}+V_{m}E_{m})}$

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

I steg 2, när spänningen för fibern är större än sträckgränsen, börjar matrisen att deformeras plastiskt, och fibrerna är fortfarande elastiska, spännings- och töjningsförhållandet är

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

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

I steg 3, när matrisen både deformeras plastiskt, är spännings- och töjningsförhållandet

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

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

Eftersom vissa fibrer inte deformeras permanent före brott, kan steg 3 inte observeras i vissa kompositer.

I steg 4, när fibern redan har blivit brott och matrisen fortfarande deformeras plastiskt, är spännings- och töjningsrelationen

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

Det är dock inte helt sant, eftersom brottfibrerna fortfarande kan bära en viss belastning.

Förstärkning med diskontinuerliga fibrer

För diskontinuerliga fibrer (även kända som whiskers, beroende på längden), överförs dragkraften från matrisen till fibern med hjälp av skjuvspänningar som utvecklas längs fiber-matrisgränsytan.

Matrisen har förskjutning lika med noll vid fiberns mittpunkt och maximum vid ändarna i förhållande till fibern längs gränsytan. Förskjutning orsakar gränssnittsskjuvspänning $\tau _{m}$ som är balanserad med fiberdragspänning $\sigma _{f}$ . $df$ är fiberdiametern och $x$ är avståndet från fiberänden.

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

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

Efter endast en mycket liten töjning blir storleken på skjuvspänningen vid fiberänden stor. Detta leder till två situationer: fibermatrisdelaminering eller matris med plastskjuvning.

Om matrisen har plastisk skjuvning: gränssnittsskjuvspänning $\tau _{m}\leq \tau _{my}$ . Sedan finns det en kritisk längd $l_{c}$ som när ${\displaystyle l>l_{c}} ,$ efter vissa $x$ , $\sigma _ {f}$ förblir konstant och är lika med spänning i tillstånd med lika töjning.

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

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

Förhållandet, ${\frac {l_{c}}{d_{f}}}$ kallas det "kritiska bildförhållandet". Den ökar med komposittöjningen $\varepsilon _{c}$ . För att en fibers mittpunkt ska belastas till samma töjningsvillkor vid kompositbrott, måste dess längd vara minst $d_{f} \sigma _{f}^{drag}/2\tau _{min}$ .

Beräkna sedan medelspänningen. Den del av fiberlängden som bär spänningen $\sigma _{f}(\varepsilon _{c})$ är ${\frac {l-l_{c }}{l}}$ . Den återstående bråkdelen ${\frac {l_{c}}{l}}$ har en medelspänning $\sigma _{f}(\varepsilon _{c })/2$ .

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

För $l<l_{c}$ är medelspänningen $\sigma _{m}ax/2$ med $\sigma _{m}ax=2\tau _{min}l/d_{f}$ .

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

Kompositspänningen modifieras enligt följande:

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

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

Ovanstående ekvationer antog att fibrerna var inriktade med belastningsriktningen. En modifierad regel för blandningar kan användas för att förutsäga kompositstyrka, inklusive en orienteringseffektivitetsfaktor, $\eta _{0}$ , som står för minskningen i styrka från felinriktade fibrer.

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

där $\eta _{f}$ är fibereffektivitetsfaktorn lika med ${\frac {l}{2l_{c}}}$ för $l \leq l_{c}$ och $\left[1-\left({\frac {l_{c}}{2l}}\right)\right]$ för $l>l_{c}$ . Om fibrerna är perfekt inriktade med belastningsriktningen $\eta _{0}$ 1. Vanliga värden för $\eta _{0}$ för slumpmässigt orienterade är dock ungefär 0,375 för en in -plan tvådimensionell array och 0,2 för en tredimensionell array.

Avsevärd förstärkning kan tillhandahållas av diskontinuerliga fibrer förutsatt att deras längder är mycket större än de (vanligtvis) små kritiska längderna. Som till exempel MMC.

Om det finns fiber-matris delaminering. $\tau _{my}$ ersätts av friktionsspänning $\mu P$ där $\mu$ är friktionskoefficienten mellan matrisen och fibern, och ${\ displaystyle P}$ är ett internt tryck.

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

Detta händer i de flesta hartsbaserade kompositer.

Kompositer med fiberlängder mindre än $l_{c}$ bidrar lite till styrkan. Under kompositbrott spricker dock inte de korta fibrerna. Istället dras de ut ur matrisen. Arbetet i samband med fiberutdrag ger en extra komponent till brottarbetet och har ett stort bidrag till segheten.

Ansökan

Det finns även applikationer på marknaden som endast använder avfallsmaterial. Dess mest utbredda användning är i utomhusdäcksgolv, men den används också för räcken, staket, trädgårdsvirke, beklädnad och sidospår, parkbänkar, lister och trim, fönster- och dörrkarmar och inomhusmöbler. Se till exempel arbetet med Waste for Life , som samarbetar med sophanteringskooperativ för att skapa fiberförstärkta byggmaterial och hushållsproblem från det avfall deras medlemmar samlar in: Hemsida för Waste for Life

Se även

• Fibervolymförhållande
• Frakturmekanik
• Plastkomposit (disambiguation)
• Plastvirke
• Träplastkomposit
• Fiberförstärkt plast

  3. Thomas H. Courtney. "Materialens mekaniska beteende". 2nd Ed. Waveland Press, Inc. 2005. ISBN 1-57766-425-6