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Physics · real student question

單向預浸碳纖維 Ef = 242 GPa、Em = 7.82 GPa、Vf = 0.606、纖維帕松比 0.22、基材帕松比 0.387。用混合律求 E11(取整數 GPa)與帕松比(小數點後三位)。

Question

一種單向預浸碳纖維具有下列性質:

Ef=242 GPa,Em=7.82 GPa,Vf=0.606,νf=0.22,νm=0.387.E_f=242\ \text{GPa},\quad E_m=7.82\ \text{GPa},\quad V_f=0.606,\quad \nu_f=0.22,\quad \nu_m=0.387.

請用混合律計算縱向勁度 E11E_{11}(取到最接近的 GPa)與帕松比 ν12\nu_{12}(取到小數點後三位)。

Step-by-step solution

  1. 縱向要用並聯形式。 沿纖維方向受載時兩相伸長量相同,所以它們的勁度貢獻按體積比例相加:

    E11=VfEf+VmEm.E_{11}=V_f E_f+V_m E_m.

    這與橫向的情形正好相反——橫向相加的是柔度。

  2. 求出基材的體積分率。

    Vm=1−Vf=1−0.606=0.394.V_m=1-V_f=1-0.606=0.394.

  3. 算出 E11 的兩項貢獻。

    VfEf=0.606×242=146.652 GPa,VmEm=0.394×7.82=3.081 GPa.V_f E_f=0.606\times 242=146.652\ \text{GPa},\qquad V_m E_m=0.394\times 7.82=3.081\ \text{GPa}.

    纖維幾乎承擔了全部載重——佔總量的 98%98\%——這正是排向式複合材料的重點。

  4. 相加後四捨五入。

    E11=146.652+3.081=149.733 GPa≈150 GPa.E_{11}=146.652+3.081=149.733\ \text{GPa}\approx 150\ \text{GPa}.

  5. 帕松比也套用同一個以體積加權的平均。 主帕松比遵循完全相同的並聯規則:

    ν12=Vfνf+Vmνm=0.606(0.22)+0.394(0.387).\nu_{12}=V_f\nu_f+V_m\nu_m=0.606(0.22)+0.394(0.387).

  6. 求值並檢查。

    0.13332+0.152478=0.285798≈0.286.0.13332+0.152478=0.285798\approx 0.286.

    做個合理性檢查:兩個結果都必須落在兩種組成的數值之間:7.82<149.7<2427.82<149.7<242 ✓、0.22<0.286<0.3870.22<0.286<0.387 ✓。注意即使勁度由纖維主導,ν12\nu_{12} 仍偏向基材的值——這裡兩者的體積分率相當接近,而帕松比並不是用模數加權的。

Answer

E11≈150 GPa,ν12≈0.286E_{11}\approx 150\ \text{GPa},\qquad \nu_{12}\approx 0.286

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