玻璃钢基本性能
玻璃钢基本性能
概述
玻璃钢是一种用途广泛的纤维复合材料，是以玻璃纤维为增强材料，以合成树脂为基体复合而成的新型工程材料．
玻璃钢的基本性能十分复杂．不同的玻璃纤维和不同的合成树脂所组成的玻璃钢的性能是不相同的，即使采用同一牌号的玻璃纤维和同一牌号的树脂，只要其间的配比不同，其性能(包括力学、物理、化学方面的性能和静态、动态方面的性能)就不会相同．充分了解玻璃钢的基本性能，才能合理地进行玻璃钢结构设计，用其所长，避其所短．玻璃钢的基本力学性能(包括静态和动态的力学性能)是进行玻璃钢结构设计的重要依据．静态力学性能一般是指玻璃钢在某一初始阶段的力学性能，其中最重要的是强度和弹性性能，动态力学性能与时间有关，例如蠕变、疲劳等是玻璃钢材料随着时间延续，在持久载荷或交变载荷作用下所反映出来的特性；冲击性能则是材料在极短的时间内承受载荷的特性．一般玻璃钢工程结构设计大都是选用静态力学性能参数进行设计．但如果不考虑动态力学性能的影响，很可能十分危险．在选用静态力学性能参数的同时，必须充分考虑动态力学性能对实际结构的影响，选择合适的安全系数．
玻璃钢的主要力学性能大致有如下特点：
(1)强度和弹性性能的可设计性．因玻璃钢是由玻璃纤维和合成树脂组成的，所以人们可以通过改变这两个组分材料的配比，和改变玻璃纤维的分布方向，在一定范围内获得不同强度和弹性性能的玻璃钢．例如，对于单向受结构，可以采用单向铺层方式，即可将单向玻璃布或玻璃纤维沿受力方向铺设．这种单向铺层方式能够在纤维方向获得很高的强度，而在垂直于纤维方向，则没有多余的强度储备．又如，对于双向受力的结构；可以采用双向铺层和多向铺层方式，并根据双向受力的大小，采用不同双向纤维量分布．对不同方向选用适当的纤维用量，不仅可以使玻璃钢在不同方向具有不同的强度值，也可以使其具有不同的弹性模量．
上述特点所表现出来的强度和弹性的可设计性，使得从事结构设计的研究者也同时参与到材料的设计中去了，这对于结构设计是十分重要的．
(2)各向异性性能，玻璃钢在不同方向上具有不同的力学性能，因此是一种各向异性材料．
玻璃钢是由若干个单层板层合起来，构成一个多层的层合板(壳)结构．每一个单层板在
其面内具有四个独立的弹性常数：纵向弹性模量E L，横向弹性模量E L，纵向泊松比V TL(横向泊松比V TL)，面内剪切弹性模量G Ly．在层合板(壳)结构中，不管这些单层板是采用何种方式铺设，上述四个弹性常数构成了玻璃钢结构最基本的独立的弹性常数，另一方面，若干单层板按不同方式铺设而组成的层合板(壳)，可以显示出十分复杂的弹性性能．例如，剪应力引起线应变，正应力引起剪应变，这些都是各向同性材料所没有的。
玻璃钢的各向异性，使得玻璃钢的强度分析变得复杂．就每一单层而言，其面内就有五个基本强度：纵向拉伸强度F L，纵向压缩强度F′L，横向拉伸强度F T，横向压缩强度F′L，剪切强度F LT．这些强度值往往相差很大，因此破坏不一定发生在应力最大的方向上，很可能在较低的应力作用方向上．于是，各向同性材料中的主应力和主应力方向等概念，在玻璃钢的结构分析中是不适用的．
(3)非均质性．
玻璃钢是非均质材料，这意味着玻璃钢的性能因其各组分材料在物体内的位置不同而不同．如相对于组分材料而言，在玻璃纤维处的性能与在树脂处的性能不同．细观力学正是基于这种组分材料之间的非均质性来研究组分材料之间的相互作用．但是，相对于单层板而言，这种组分材料之间的非均质被忽略了，而仅从单层板的平均表观性质研究玻璃钢的基本性能．宏观力学正是基于这种均质性假定来分析玻璃钢的层合结构．然而，由于各单层铺设角的差异，即使是在宏观力学范围内，这种层合结构也是非均质的．这种不同层之间的宏观非均质性，给玻璃钢结构的分析带来很大的复杂性，例如，拉伸可能引起弯曲变形等耦合效应．
(4)高强度，低弹性模量．
玻璃钢的容重较小，大都在1．5—1．9g／cm3范围内，是普通钢材容重的1／4左右，玻璃钢的强度却较高，一般可达2000kgf／cm2以上．如果选用高强高弹玻璃钢，其强度值更高．按比强度(强度与容重之比)计算，玻璃钢要比普通钢材的比强度高得多．因此，玻璃钢是一种轻质高强的材料．但是，玻璃钢的弹性模量是比较低的。工程上常见的玻璃钢的弹性模量仅为1．5—3．0X105kgf／·cm2，与普通钢材相差一个数量级．即使按比弹性(弹性模量与容重之比又称比刚度)计算，与钢材的比弹性仍有差距。当然，如果选用高弹玻璃钢，其比弹性将超过普通钢材．
由于玻璃钢的弹性模量较低，对于受刚度控制的结构来说，工程上常采用改变截面的尺寸和形状(例如采用加筋结构或夹层结构等)来弥补弹性模量低这一弱点．由于玻璃钢的成型比较容易，因此这种改变截面尺寸和形状的制造工艺对于玻璃钢而言不存在困难．以上仅仅是概略地叙述了玻璃钢力学性能的部分特点，应当说它还有其它特点和性能，
例如优良的耐腐蚀性及耐老化性等等．
本章将重点讨论玻璃钢的基本力学性能，其中包括静态和动态的力学性能，此外，还将讨论应力集中特性及耐老化性能等．玻钢的耐腐蚀性能在第—章中已有介绍，这里不再重复，显然，了解这些特性对于结构设计、产品制造和使用都是有益的．
基本刚度特性
连续纤维增强玻璃钢，是由若干层的单层板按一定铺设方式所组成的．不同的铺设方式，可使这类玻璃钢具有不同的刚度特性，例如，除具有各向同性材料的变形特征外，还可能存在所谓耦合刚度，从而产生拉—弯、拉—剪、弯—扭等耦合变形．但是，作为这类玻璃钢的基本刚度特性，可用单层板弹性常数来描述．这是因为，无论玻璃钢具有何种刚度特性，其独立的材料常数仅由单层板的材质决定．
单层板是由单向纤维或交织纤维在基体中的平面或曲面排列形成的．图2．2．1表示了两种典型的单层板，它们都具有平行和垂直于纤维方向的材料主轴，是一种典型的正交各向异性材料．单层板有如下四个独立的弹性常数：
E L——沿L向的弹性模量；
E L——沿T向的弹性模量；
V LT——泊松比，即表示仅沿L方向承受拉伸(或压缩)时，F方向的横向应变的泊松比，V LT=-8T/βL
G Lr——L—T平面的剪切模量。
此外，还有另一个泊松比V LT，即表示仅沿T方向承受拉伸(或压缩)时，乙方向的横向应变的泊松比，可用下式求得：
V LT＝Y TL·E T／E L (2．2．1)
对于短切玻璃纤维增强玻璃钢，由于具有各向同性，其基本刚度特性可用三个弹性常数E，V，G描述．其中，独立的材料常数只有两个．
确定玻璃钢基本刚度特性有两种方法：一是通过实验直接测定，二是根据细观力学方法进行估算．下面分别以单向玻璃纤维铺设、双向交织纤维铺设和短切玻璃纤维毡等三种情形的玻璃钢为序，在介绍部分较为可靠的弹性常数估算公式的同时，还给出部分实验结果．单向纤维增强层板弹性常数
考虑纤维在单层板中单向铺设，其体积含量为V1，基体的体积含量为y m，并有如下关系式：
V1+y m=1 (2．2．2)
假定增强纤维和基体都是各向同性的，则可设这两种组分材料的弹性常数分别为召E F，V1，G f和E m，V m，G m。
关于单向纤维增强层板的弹性常数，现已有各种不同的理论预测公式．例如，蔡(Tsai)根据纤维之间既接触又不接触的随机排列，提出了一种半经验性的理论公式；我国学者朱颐龄根据矩形分析模型，提出了一种理论预测公式．这些公式都能够获得较准确的弹性常数预测值．这里，仅列举植村等人建议的一种简化的经验公式，即
上式中的K E为修正系数，这是由于纤维在实际排列中并不全是单向伸直的，而是部分纤维松散地朝一个方向取向，可以根据实际情况选取不同的K E值．
植村等用单向纤维增强玻璃钢做了一系列实验H，，各组分材料的弹性常数为：E F=7400kgf/mm2，E m=300kgf/mm2，V F=0.23，V m=0.36
实验结果与理论曲线如图2．2．2所示．
图2．2．2表明，式(2．2。3)的理论预测值与实验结果十分接近。其中，纵向弹性模量置E1的实验结果在K B＝0．8—1．0的理论曲线之间．由此可见，植村经验公式可以较准确地反映单向纤维增强玻璃钢的基本刚度特性．
由于植村公式没有限制材料的变形方式，因此该公式也可以用于对压缩弹性模量和弯曲弹性模量的预测．事实上，拉伸时与压缩时的模量是有差异的．对于纵向弹性模量而言，压缩时要比拉伸时的弹性模量低，因此Ks可选得低些．但是，当压缩应力较小且纤维没有压曲时，其实验值大致落在K B＝0．8—1之间．此外，对于纵向弯曲弹性模量，实验表明它可与拉伸弹性模量作同样处理．