Армированный волокном композит

( Армированный волокном композит FRC) – это композитный строительный материал , состоящий из трех компонентов: ^[1]^[2]

волокна как прерывистая или дисперсная фаза,
матрица как непрерывная фаза, и
тонкая межфазная область, также известная как интерфейс.

Это тип усовершенствованной композитной группы, в которой в качестве ингредиентов используются рисовая шелуха, рисовая шелуха, рисовая скорлупа и пластик. Эта технология включает в себя метод очистки, смешивания и компаундирования натуральных волокон из потоков целлюлозных отходов для формирования высокопрочного волокнистого композиционного материала в полимерной матрице. Обозначенными отходами или основным сырьем, используемым в этом случае, являются отходы термопластов и различные категории целлюлозных отходов, включая рисовую шелуху и опилки.

Введение

FRC — это высокоэффективный волокнистый композит, полученный и ставший возможным благодаря сшиванию молекул целлюлозного волокна со смолами в матрице материала FRC посредством запатентованного процесса молекулярной реинжиниринга, что дает продукт с исключительными структурными свойствами.

Благодаря этому подвигу молекулярной реинжиниринга избранные физические и структурные свойства древесины успешно клонируются и передаются в продукт FRC, в дополнение к другим критическим характеристикам, обеспечивающим эксплуатационные свойства, превосходящие современную древесину.

Этот материал, в отличие от других композитов, можно перерабатывать до 20 раз, что позволяет повторно использовать лом FRC снова и снова.

Механизмы разрушения материалов FRC включают расслоение , внутриламинарное растрескивание матрицы, продольное расщепление матрицы, разрыв связи волокна с матрицей, выдергивание волокна и разрушение волокна. ^[1]

Разница между древесно-пластиковым композитом и армированным волокном композитом:

Функции	Пластиковые пиломатериалы	Древесно-пластиковый композит	ФРК	Древесина
пригодный для вторичной переработки	Да	Нет	Да	Да
Строительство дома	Нет	Нет	Да	Да
Водопоглощение	0.00%	0,8% и выше	0,3% и ниже	10% и выше

Характеристики

Предел прочности	АСТМ Д 638	15,9 МПа
изгибная прочность	АСТМ Д 790	280 МПа
Модуль упругости при изгибе	АСТМ Д 790	1582 МПа
Отказная нагрузка	АСТМ Д 1761	1,5–20,8 кН
Прочность на сжатие		20,7 МПа
Реверсия тепла	БС ЕН 743: 1995.	0.45%
Водопоглощение	АСТМ Д 570	0.34%
Устойчивость к термитам	Метод испытаний ФРИМ	3.6

Основные принципы

Соответствующее «среднее» значение свойств отдельных фаз, которое следует использовать при описании поведения композита при растяжении, можно определить, обратившись к рис. 6.2. Хотя

на этом рисунке показан пластинчатый композит, последующие результаты в равной степени применимы к волокнистым композитам, имеющим аналогичное фазовое расположение. Две фазы

материал рис. 6.2 состоит из ламелей $\alpha$ и $\beta$ фазы толщины $l_{\alpha }$ и $l_{\beta }$ . и соответственно. Таким образом, объемные доли ( $V_{\alpha }$ , $V_{\beta }$ ) фаз $V_{\alpha }={\frac {l_{\alpha }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}$ и $V_{\beta }={\frac {l_{\beta }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}$ .

Случай I: Тот же стресс, разная нагрузка.

Растягивающая сила F прикладывается перпендикулярно широким граням (размеры Lx L) фаз. В такой схеме напряжение, воспринимаемое каждой из фаз (= F/ $L^{2}$ ) то же самое, но деформации ( $\varepsilon _{\alpha }$ , $\varepsilon _{\beta }$ ) они испытывают разные. Сложная деформация представляет собой средневзвешенное по объему деформаций отдельных фаз.

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

Полное удлинение композита, $\vartriangle l_{c}$ получается как $\vartriangle l_{c}=N\vartriangle l_{\alpha }+N\vartriangle l_{\beta }$

и составная деформация $\varepsilon _{c}$ является, $\varepsilon _{c}$ = ${\frac {\vartriangle l_{c}}{N(l_{\alpha }+l_{\beta })}}$ = $V_{\alpha }\varepsilon _{\alpha }+V_{\beta }\varepsilon _{\beta }$ = $\sigma {\biggl (}{\frac {V_{\alpha }}{E_{\alpha }}}+{\frac {V_{\beta }}{E_{\beta }}}{\biggr )}$

Композитный модуль $E_{c}={\frac {E_{\alpha }E_{\beta }}{V_{\alpha }E_{\beta }+V_{\beta }E_{\alpha }}}$

Случай II: разное напряжение, та же деформация.

Волокна, расположенные параллельно оси растяжения, деформации в обеих фазах равны (и такие же, как составная деформация), но внешняя сила распределяется

неодинаково между фазами. $F=F_{\alpha }+F_{\beta }=NL(\sigma _{\alpha }l_{\alpha }+\sigma _{\beta }l_{\beta })$

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

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

Деформационное поведение

Когда волокно ориентировано параллельно направлению матрицы и приложена нагрузка, такая же деформация. Волокно и матрица имеют объемную долю $V_{f}$ , $V_{m}$ ; стресс $\sigma _{f}$ , $\sigma _{m}$ ; напряжение $\varepsilon _{f}$ , $\varepsilon _{m}$ ; и модуль $E_{f}$ , $E_{m}$ . И здесь $\varepsilon _{f}$ = $\varepsilon _{f}$ = $\varepsilon _{c}$ . Одноосное напряжение-деформацию волокнистого композита можно разделить на несколько стадий.

На этапе 1, когда волокно и матрица деформируются упруго, соотношение напряжения и деформации равно $\sigma _{c}=V_{f}E_{f}\varepsilon _{f}+V_{m}E_{m}\varepsilon _{m}=\varepsilon _{c}(V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m})$

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

На этапе 2, когда напряжение в волокне превышает предел текучести, матрица начинает пластически деформироваться, а волокна все еще эластичны, соотношение напряжений и деформаций равно

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

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

На этапе 3, когда матрица и волокно деформируются пластически, соотношение напряжения и деформации равно

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

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

Поскольку некоторые волокна не деформируются постоянно до разрушения, в некоторых композитах стадию 3 невозможно наблюдать.

На этапе 4, когда волокно уже разрушено, а матрица все еще пластически деформируется, соотношение напряжений и деформаций равно

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

Однако это не совсем так, поскольку вышедшие из строя волокна все же могут нести некоторую нагрузку.

Армирование прерывистыми волокнами

Для прерывистых волокон (также известных как «вискеры», в зависимости от длины) растягивающая сила передается от матрицы к волокну посредством сдвиговых напряжений, которые развиваются вдоль границы раздела «волокно-матрица».

Матрица имеет смещение, равное нулю в средней точке волокна и максимальное на концах относительно волокна вдоль границы раздела. Смещение вызывает напряжение сдвига на границе раздела $\tau _{m}$ которое сбалансировано с растягивающим напряжением волокна $\sigma _{f}$ . $d_{f}$ - диаметр волокна, а $x$ расстояние от конца волокна.

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

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

Уже после очень небольшой деформации величина напряжения сдвига на конце волокна становится большой. Это приводит к двум ситуациям: расслоение волокна-матрицы или матрица, имеющая пластический сдвиг.

Если матрица имеет пластический сдвиг: напряжение сдвига на границе раздела. $\tau _{m}\leq \tau _{my}$ . Тогда существует критическая длина $l_{c}$ что когда $l>l_{c}$ , после определенного $x$ , $\sigma _{f}$ остается постоянной и равна напряжению в равнодеформированном состоянии.

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

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

Соотношение, ${\frac {l_{c}}{d_{f}}}$ называется «критическим соотношением сторон». Он увеличивается с увеличением композиционной деформации. $\varepsilon _{c}$ . Чтобы средняя точка волокна была напряжена до состояния равной деформации при разрушении композита, ее длина должна быть не менее $d_{f}\sigma _{f}^{tensile}/2\tau _{my}$ .

Затем рассчитайте среднее напряжение. Доля длины волокна, несущая нагрузку $\sigma _{f}(\varepsilon _{c})$ является ${\frac {l-l_{c}}{l}}$ . Оставшаяся часть ${\frac {l_{c}}{l}}$ выдерживает среднюю нагрузку $\sigma _{f}(\varepsilon _{c})/2$ .

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

Для $l<l_{c}$ , среднее напряжение $\sigma _{m}ax/2$ с $\sigma _{m}ax=2\tau _{my}l/d_{f}$ .

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

Комбинированное напряжение модифицируется следующим образом:

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

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

В приведенных выше уравнениях предполагалось, что волокна ориентированы по направлению нагрузки. Модифицированное правило смесей можно использовать для прогнозирования прочности композита, включая коэффициент эффективности ориентации. $\eta _{0}$ , что объясняет снижение прочности из-за смещения волокон. ^[3]

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

где $\eta _{f}$ – коэффициент эффективности волокна, равный ${\frac {l}{2l_{c}}}$ для $l\leq l_{c}$ , и $\left[1-\left({\frac {l_{c}}{2l}}\right)\right]$ для $l>l_{c}$ . Если волокна идеально выровнены по направлению нагрузки $\eta _{0}$ равно 1. Однако общие значения $\eta _{0}$ для случайно ориентированных составляют примерно 0,375 для двумерного массива в плоскости и 0,2 для трехмерного массива. ^[3]

Значительное усиление можно обеспечить прерывистыми волокнами при условии, что их длина намного превышает (обычно) небольшие критические длины. Такие как ММС.

Если имеется расслоение волокна-матрицы. $\tau _{my}$ заменяется напряжением трения $\mu P$ где $\mu$ это трениекоэффициент между матрицей и волокном, и $P$ это внутреннее давление.

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

Это происходит в большинстве композитов на основе смол.

Композиты с длиной волокон менее $l_{c}$ мало способствуют увеличению силы. Однако во время перелома композита короткие волокнане перелом. Вместо этого они выдергиваются из матрицы. Работа, связанная с вытягиванием волокон, является дополнительным компонентом работы разрушения и вносит большой вклад в повышение ударной вязкости.

Приложение

На рынке также есть приложения, которые утилизируют только отходы. Его наиболее широкое применение приходится на полы на открытом воздухе, но он также используется для изготовления перил, заборов, ландшафтной древесины, облицовки и сайдинга, парковых скамеек, карнизов и отделки, оконных и дверных рам, а также внутренней мебели. См., например, работу Waste for Life , которая сотрудничает с кооперативами по уборке мусора для создания строительных материалов, армированных волокном, и решения бытовых проблем из отходов, которые собирают их члены: Домашняя страница Waste for Life

Использование натуральных волокон в армированных полимерных композитах, которые потенциально могут быть использованы в автомобильной промышленности, может существенно помочь в разработке устойчивого управления отходами. ^[4]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б У. Дж. Кэнтуэлл, Дж. Мортон (1991). «Ударопрочность композиционных материалов -- обзор». Композиты . 22 (5): 347–62. дои : 10.1016/0010-4361(91)90549-В .
^ Серопе Калпакджян, Стивен Р. Шмид. «Производственная техника и технологии». Международное издание. 4-е изд. Прентис Холл, Инк. 2001. ISBN 0-13-017440-8 .
^ Jump up to: ^а ^б Собойеджо, Вирджиния (2003). «9.7 Влияние длины усиков/волокон на прочность и модуль упругости композита». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8 . ОСЛК 300921090 .
^ Аль-Окла, Фарис М.; Сапуан, С.М. (01 марта 2014 г.). «Полимерные композиты, армированные натуральным волокном, в промышленном применении: возможности использования волокон финиковой пальмы для экологически безопасной автомобильной промышленности» (PDF) . Журнал чистого производства . 66 : 347–354. дои : 10.1016/j.jclepro.2013.10.050 . ISSN 0959-6526 .

3. Томас Х. Кортни. «Механическое поведение материалов». 2-е изд. Waveland Press, Inc. 2005. ISBN 1-57766-425-6

[cantwell-1] Jump up to: ^а ^б У. Дж. Кэнтуэлл, Дж. Мортон (1991). «Ударопрочность композиционных материалов -- обзор». Композиты . 22 (5): 347–62. дои : 10.1016/0010-4361(91)90549-В .

[serope-2] Серопе Калпакджян, Стивен Р. Шмид. «Производственная техника и технологии». Международное издание. 4-е изд. Прентис Холл, Инк. 2001. ISBN 0-13-017440-8 .

[:0-3] Jump up to: ^а ^б Собойеджо, Вирджиния (2003). «9.7 Влияние длины усиков/волокон на прочность и модуль упругости композита». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8 . ОСЛК 300921090 .

[4] Аль-Окла, Фарис М.; Сапуан, С.М. (01 марта 2014 г.). «Полимерные композиты, армированные натуральным волокном, в промышленном применении: возможности использования волокон финиковой пальмы для экологически безопасной автомобильной промышленности» (PDF) . Журнал чистого производства . 66 : 347–354. дои : 10.1016/j.jclepro.2013.10.050 . ISSN 0959-6526 .

[1]

[2]

[3]

[4]