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论文摘要:知识经济的到来给包装机械结构设计提出了新的要求。在知识管理理论的基础之上建立了包装机械结构设计知识管理模型,重点分析了包装机械结构设计知识管理流程和知识支撑条件,最后得出了基于知识管理的包装机械设计流程。
论文关键词:知识管理;包装机械结构设计;知识管理模型
知识经济环境下,知识被视为企业最重要的资源,产品中蕴含的知识量成为竞争的基础和决定胜负的关键,对于知识密集型的包装机械结构设计来说更是如此。随着现代信息技术的发展,计算机技术的广泛使用以及多主体合作模式的出现,引起了包装机械结构设计在工作方式、组织模式和实现手段上的根本性变革,技术和市场形态的变化也对包装机械结构设计提出新的要求。因此,从知识管理的角度研究新环境下包装机械结构设计具有重要的理论和现实意义。
1包装机械结构设计中的知识管理
知识管理是适应知识经济时代发展的需要而产生的,是管理科学的思想与理念向纵深发展的结果是随着人们对资源认识的不断深化和企业管理能力的不断提高而发展起来的。知识管理既不是简单的信息管理的延伸,也不是对知识的管理或简单的知识化的管理,而是以管理为基础,以知识为中心,为解决知识开发与应用过程中出现的知识需求与知识利用间的矛盾而产生的一种管理模式。它包括知识的识别、获取、开发、传播、使用、保存以及更新的全过程,通过屏蔽信息复杂的来源,以方便用户对所需知识的获取和利用,为用户提供个性化的知识服务这些知识能够帮助主体获得竞争优势,实现最大的利益。其目的在于知识资源的有效利用,力图将合适的知识在合适的时间传递给合适的设计师,以便使他们能够做出好的决策。
包装机械结构设计中涉及到的知识有造型设计知识、产品理念知识、原理设计知识、安全性知识、人机知识、布局知识等,包装设计知识管理的目的就是通过信息技术支持、激励机制,以及良好的组织文化建设和组织结构设计,发掘组织内部已有的知识,从组织外部获取所需知识,在组织中实现知识共享并引导知识创新,并对知识进行蓄积和有效运用,以此提高组织的包装机械结构设计能力。
2包装机械结构设计知识管理模型
本文在现有的知识管理理论基础上提出了包装机械结构设计知识管理模型,如图1所示。
2.1包装机械结构设计中的知识管理流程
包装机械结构设计中的知识管理流程可分四个主要阶段:知识的获取、知识的存储、知识的转化和知识的应用。
2.1.1知识的获取
包装机械结构设计是一个知识的运用和创新的过程。一方面它依靠员工本身的技能和经验;另一方面要求通过不断地吸收外部的技术知识和专业化的学习来提高设计能力。因此,知识获取在包装机械结构设计中具有重要的作用。知识获取包括从现有的知识库或知识网络中提炼出有用的知识,以及有效、快速吸收设计所需的外部知识。通过内部与外部知识的联合与补充,将各种知识汇合成组织的知识网络,为包装机械结构设计提供一个共同的资源库,为知识提升和知识拓展创造机会。知识获取是包装机械结构设计知识管理过程的首要内容,为确保设计过程中相关知识的获得,组织应提供多种知识获得的方式,如建立内部知识库、协同工作以及创造知识交流的环境等。
2.1.2知识的存储
包装机械结构设计中的知识存储是指组织将有价值的知识经过选择、过滤、加工和提炼后,存储在适当的媒介内,并随时更新和维护其内容和结构,以利于设计者更加便利、快捷地访问,获得有效的知识。组织的存储对于组织来说是非常必要的。首先,知识的积累是知识创新的基础,根据学习创新能力理论的观点,当组织积累越多的知识,就越容易吸收、学习新知识和创造新知识。其次,知识的存储还可节约知识的重复开发成本,知识是组织投入成本所获得的提升组织优势的重要资源,从成本分摊的观点看,知识的利用程度越高,其相对价值也越高再次,组织内员工的离职、退休、死亡以及对知识的遗忘,项目团队在完成任务后解散,或者组织成员的流失和变动都会造成知识的流失,因此需要及时保存。最后,凭借知识的存储可以降低重复设计的成本和重蹈覆辙的损失。
2.1.3知识的转化
包装机械结构设计知识存在于两种形式:隐性知识和显性知识。显性知识是易表达的、可以通过语言、文字等方式传播的知识,隐性知识是个人拥有的,不易表达的,难以传播的知识,是个人长期学习和积累的结果。Nonaka提出的SECI模型显示了隐性知识和显性知识之间相互作用与相互转化的过程,如图2所示,其中包含了四个过程:
(1)隐性知识向隐性知识转化过程:设计人员之间通过观测、模仿、传授等方式进行交流,从而实现个人技能、经验等知识的传播、共享,这一过程是知识社会化的过程。组织的创新能力很大程度上依赖于隐性知识之间的转化,关键是组织成员如何贡献自己的隐性知识为集体共享;
(2)隐陛知识向显性知识转化过程:个人将存储于大脑中的设计体会、设计经验等知识通过个人主页、知识库管理系统等转变成共享的显性知识,这是知识的外在化过程;
(3)显性知识向显性知识转化过程:组织将一些分散的显性知识整合成新的更复杂或系统化的显性知识,以便在组织范围内使新知识得以共享,这是知识的综合化过程;
(4)显性知识向隐性知识转化过程:员工通过学习,将多种渠道得到的显性知识进行消化、吸收,转化成个人能力,存于大脑之中,这是知识的内在化过程。
在知识转化过程中,每一个转化阶段都会有外部新知识的融入,比如员工的自我体会、知识使用过程中的改进、创新等。因此,知识转化过程实际上也是知识共享的过程,是新知识的创造和产生过程。通过知识转化过程的螺旋上升运动,组织的知识得以充分共享,组织设计能力得到不断提高。
2.1.4知识的应用
包装机械结构设计中的知识获取、存储和转化只是为设计提供了可供利用的知识,这些知识能够被有效利用,还要看组织的知识应用能力,它决定了设计成功的可能性和效率。知识的应用有多种表现形式,如有效利用经验和教训学习提高工作流程的效率或不再重复犯错;能快速有效地将知识应用并发挥在问题解决和工作绩效的提升上;能快速有效地将知识利用发挥在可以观察到的环境变化上,以及指导竞争战略上等。
2.2包装机械结构设计中的知识支撑系统
2.2.1知识导向型的文化
由于知识型员工中竞争心理、知识垄断心理、自我封闭心理等障碍的存在,使得组织中的知识共享困难重重。因此培育一个知识导向型的文化是包装机械结构设计中知识管理成功的关键要素之一。所谓知识导向型组织文化,使指将知识视为组织最重要的资源,能够支持有效地获取、创造、交流和利用知识的组织文化。知识导向型文化的关键因素是对新知识持一种欢迎态度,并且在一个不断学习和尝试被高度评价、重视和知识的环境中,创造出一种信任和开放的气氛。通过知识导向型文化的建设,培育共享的价值观,使设计人员认识到,只有把知识拿出来共享,才能实现自身的价值,获得信任和尊重,并通过共享使知识得到增值,最终提升自己的实力。
2.2.2激励机制
建立强有力的激励制度,是包装机械结构设计知识管理成功的有效保障。通过激励机制可向设计者明确表明组织的态度,在组织内确定和鼓励知识型行为。知识型行为是指在工作岗位上利用组织知识并实现知识增值的行为。当前很多组织在知识管理实践中,常采取一种十分重要而有效的激励措施一知识全程跟踪制,并将这种激励制度作为组织知识管理初期的首选措施。所谓知识全程跟踪,是将知识提供者的姓名永久性地附在其所提供的知识记录上,并通过相应的技术支持使该提供者能够了解什么人、在什么地方、如何利用其所提供的知识,从而增进知识提供者的自豪感和成就感;同时能使该项知识的利用者与提供者之间保持密切的联系,激发利用者对提供者的尊重,并通过双方的相互交楼和探讨进一步创造新知识或知识的新应用。
2.2.3面向知识管理的组织结构设计
面向知识管理的组织结构具有柔性化、扁平化、网络化等特征。柔性化使组织能对意外的变化及时做出反应,具有较强的灵活反应的能力;扁平化减少了组织的管理层次,通过管理者向员工的全面授权,使得员工承担更大的责任,从而促进管理者与员工之间的交流;网络化可使各组织单元之间的连接最大化,从而为知识共享提供最佳的组织结构支持。
2.2.4信息技术支持
信息技术有利于组织内拥有不同知识基础的员工协作,有利于员工接近知识和分享知识,有利于加速交流,提高知识收集和知识利用的效率。
2.2.5形成设计、制造、使用一体化的知识管理机制
传统的串行工程从设计到制造各道工序是按一定的先后顺序逐步实施的,由于在产品方案的设计中缺乏其他部门的支持与合作,因此,许多本来可以提前解决的问题都必须等到整个设计方案进入下一环节后才能被发现,然后设计部门再根据后续部门反馈的结果进行设计的修改与更正,造成时间与资源的浪费。形成设计、制造、使用一体化的知识管理体制,即在合作企业和部门之间共享统一的知识库,并且在产品开发全过程中让用户参与进来,以便及时了解用户的需求,发现产品的缺陷,更新知识库中的信息,从而缩短产品开发周期,提高顾客满意度。综上所述,基于知识管理的包装机械结构设计流程如图3所示:
3结论
技术的发展和竞争环境的变化使得知识在包装机械结构设计中的地位越来越重要。本文在知识管理理论的基础之上建立了包装机械结构设计知识管理模型,重点分析了包装机械结构设计知识管理流程和知识支撑系统,最后提出了基于知识管理的包装机械设计流程,为应用知识管理提升包装机械结构设计提供了有益的参考。
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野战工事是战役、战斗的准备和实施过程中,利用、改造地形,使用就便器材或预制构件,快速构筑的临时工事。对常规武器和核武器、生物武器和化学武器的杀伤破坏作用具有较高的抵抗能力和较好的防护效果。50年代以前,我军的野战工事主要是以木材、钢材和钢筋混凝土就便材料工事,作战时临时构筑。60年代以后,先后研制了装配式混凝土预制构件工事、型钢工事、波纹钢工事、钢丝网水泥工事、骨架柔性被覆工事等制式器材。这一时期的工事,重量大、构件体积大、构筑速度慢、土建作业量大、撤收难,阵地转移慢,机动性能不高,难以适应机动作战的需要。从80年代开始,随着复合材料的发展,制作野战工事的材料由传统的钢材、木材和钢筋混凝土材料转向新型复合材料,我军先后研制了玻璃钢工事、玻璃纤维增强水泥工事、玻璃钢或铝合金作面板和泡沫作芯材的复合材料工事。这一时期的工事,虽然重量较轻,构件体积较小,但是工事的跨度较小、抗力低,难以满足部队平战结合的需要。直到90年代,采用“新材料、新工艺、新思想”设计的玻璃钢夹层野战工事系列,才第一次使野战工事轻型化、机动化、标准化,形成单一材料、多种结构型式、多种抗力和多种使用性能的系列化。
国外是从60年代初期开始使用复合材料野战工事的。美国、法国、意大利、日本、德国、瑞典等国都有用玻璃钢制成的掩蔽部、防弹板、弹药库等,对于玻璃钢工事的试验研究,外军早在二次世界大战时就开始了相关研究,并已有各种玻璃钢工事装备部队,如美军的轻型玻璃钢装配式掩盖工事(长6-18米,宽3米,高约3米);英国研制的玻璃钢掩蔽部可容纳6人,复土±115米,抗冲击波超压0186kg/cm2。此外还有日本研制的薄壳形玻璃钢工事顶盖、瑞典的玻璃钢夹层球形掩蔽部等等,均起到了较好的防护效果。
RTM(树脂传递模塑)成型技术是一种适宜多品种、中批量、高质量复合材料制品生产的成型技术,RTM成型技术有许多优点:能够制造高质量、高精度、低孔隙率高纤维含量的复杂复合材料构件,无须胶衣树脂也可获得光滑的双表面,产品从设计到投产时间短,生产效率高;RTM模具和产品设计可采用CAD进行设计,模具制造容易,材料选择面广;RTM成型的构件与管件易于实现局部增强以及制造局部加厚的构件,带芯材的复合材料能一次成型;RTM成型过程中挥发水分少,有利于劳动保护和环境保护。
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摘 要:文章介绍了碳纳米管的结构和性能,综述了碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法及其聚合物结构复合材料和聚合物功能复合材料中的应用研究情况,在此基础上,分析了碳纳米管在复合材料制备过程中的纯化、分散、损伤和界面等问题,并展望了今后碳纳米管/聚合物复合材料的发展趋势。
关键词:碳纳米管;复合材料;结构;性能
自从 1991 年日本筑波 NEC 实验室的物理学家饭岛澄男(Sumio Iijima)[1]首次报道了碳纳米管以来,其独特的原子结构与性能引起了科学工作者的极大兴趣。按石墨层数的不同碳纳米管可以 分 为单壁碳 纳 米管(SWNTs) 和多壁碳 纳 米管(MWNTs)。碳纳米管具有极高的比表面积、力学性能(碳纳米管理论上的轴向弹性模量与抗张强度分别为 1~2 TPa 和 200Gpa)、卓越的热性能与电性能(碳纳米管在真空下的耐热温度可达 2800 ℃,导热率是金刚石的 2 倍,电子载流容量是铜导线的 1000 倍)[2-7]。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件,采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件,并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构,从而降低生产成本。因此,聚合物/碳纳米管复合材料被广泛地研究。
根据不同的应用目的,聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年,人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复合材料,并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究,对这些研究结果分析表明:聚合物/碳纳米管复合材料的性能取决于多种因素,如碳纳米管的类型(单壁碳纳米管或多壁碳纳米管),形态和结构(直径、长度和手性)等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述,并对其所面临的挑战进行讨论。
聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法主要有三种:液相共混、固相共融和原位聚合方法,其中以共混法较为普遍。
溶液法是利用机械搅拌、磁力搅拌或高能超声将团聚的碳纳米管剥离开来,均匀分散在聚合物溶液中,再将多余的溶剂除去后即可获得聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法的优点是操作简单、方便快捷,主要用来制备膜材料。Xu et al[8]和Lau et al.[9]采用这种方法制备了CNT/环氧树脂复合材料,并报道了复合材料的性能。除了环氧树脂,其它聚合物(如聚苯乙烯、聚乙烯醇和聚氯乙烯等)也可采用这种方法制备复合材料。
熔融共混法是通过转子施加的剪切力将碳纳米管分散在聚合物熔体中。这种方法尤其适用于制备热塑性聚合物/碳纳米管复合材料。该方法的优点主要是可以避免溶剂或表面活性剂对复合材料的污染,复合物没有发现断裂和破损,但仅适用于耐高温、不易分解的聚合物中。Jin et al.[10]采用这种方法制备了 PMMA/ MWNT 复合材料,并研究其性能。结果表明碳纳米管均匀分散在聚合物基体中,没有明显的损坏。复合材料的储能模量显著提高。
将碳纳米管分散在聚合物单体,加入引发剂,引发单体原位聚合生成高分子,得到聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法被认为是提高碳纳米管分散及加强其与聚合物基体相互作用的最行之有效的方法。Jia et al.[11]采用原位聚合法制备了PMMA/SWNT 复合材料。结果表明碳纳米管与聚合物基体间存在强烈代写论文的黏结作用。这主要是因为 AIBN 在引发过程中打开碳纳米管的 π 键使之参与到 PMMA 的聚合反应中。采用经表面修饰的碳纳米管制备 PMMA/碳纳米管复合材料,不但可以提高碳纳米管在聚合物基体中的分散比例,复合材料的机械力学性能也可得到巨大的提高。
碳纳米管因其超乎寻常的强度和刚度而被认为是制备新一代高性能结构复合材料的理想填料。近几年,科研人员针对聚合物/碳纳米管复合材料的机械力学性能展开了多方面的研究,其中,最令人印象深刻的是随着碳纳米管的加入,复合材料的弹性模量、抗张强度及断裂韧性的提高。
提高聚合物机械性能的主要问题是它们在聚合物基体内必须有良好的分散和分布,并增加它们与聚合物链的相互作用。通过优化加工条件和碳纳米管的表面化学性质,少许的添加量已经能够使性能获得显著的提升。预计在定向结构(如薄膜和纤维)中的效率最高,足以让其轴向性能发挥到极致。在连续纤维中的添加量,单壁碳纳米管已经达到 60 %以上,而且测定出的韧度相当突出。另外,只添加了少量多壁或单壁纳米管的工程纤维,其强度呈现出了较大的提升。普通纤维的直径仅有几微米,因此只能用纳米尺度的添加剂来对其进行增强。孙艳妮等[12]将碳纳米管羧化处理后再与高密度聚乙烯(HDPE)复合,采用熔融共混法制备了碳纳米管/高密度聚乙烯复合材料,并对其力学性能进行了研究。结果表明:碳纳米管的加入,提高了复合材料的屈服强度和拉伸模量,但同时却降低了材料的断裂强度和断裂伸长率。Liu 等[13]采用熔融混合法制得了 MWNT/PA6(尼龙 6)复合材料,结果表明,CNTs 在 PA6基体中得到了非常均匀的分散,且 CNTs 和聚合物基体间有非常强的界面粘接作用,加入 2 wt%(质量分数)的 MWNTs 时,PA6 的弹性模量和屈服强度分别提高了 214 %和 162 %。总之,碳纳米管对复合材料的机械性能的影响,在很大程度上取决于其质量分数、分散状况以及碳纳米管与基质之间的相互作用。其他因素,比如碳纳米管在复合材料中的取向,纤维在片层中的取向,以及官能团对碳纳米管表面改性的不均匀性,也可能有助于改善复合材料的最终机械性能。
聚合物/碳纳米管导电复合材料是静电喷涂、静电消除、磁盘制造及洁净空间等领域的理想材料。GE 公司[14]用碳纳米管制备导电复合材料,碳纳米管质量分数为 10 %的各种工程塑料如聚碳酸酯、聚酰胺和聚苯醚等的导电率均比用炭黑和金属纤维作填料时高,这种导电复合材料既有抗冲击的韧性,又方便操作,在汽车车体上得到广泛应用。LNP 公司成功制备了静电消散材料,即在 PEEK 和 PEI 中添加碳纳米管,用以生产晶片盒和磁盘驱动元件。它的离子污染比碳纤维材料要低65 %~90 %。日本三菱化学公司也成功地用直接分散法生产出了含少量碳纳米管的 PC 复合材料,其表面极光洁,物理性能优异,是理想的抗静电材料[15]。另外,聚合物/碳纳米管导电复合材料的电阻可以随外力的变化而实现通-断动作,可用于压力传感器以及触摸控制开关[16];利用该材料的电阻对各种化学气体的性质和浓度的敏感性,可制成各种气敏探测器,对各种气体及其混合物进行分类,或定量化检测和监控[17];利用该材料的正温度效应,即当温度升至结晶聚合物熔点附近时,电阻迅速增大几个数量级,而当温度降回室温后,电阻值又回复至初始值,可应用于电路中自动调节输出功率,实现温度自控开关[18]。
许多研究工作证明,碳纳米管是迄今为止人们所知的最好的导热材料。科学工作者预测,单壁碳纳米管在室温下的导热系数可高达 6600 W/mK[19],而经分离后的多壁碳纳米管在室温下的导热系数是 3000~6600 W/mK。由此可以想象,碳纳米管可显著提高复合材料的导热系数及在高温下的热稳定性[20]。Wu 等[21]制 备 了 多 壁 碳 纳 米 管 / 高 密 度 聚 乙 烯(MWNTs/HDPE)复合材料,并对其热性能进行了深入的研究,实验结果表明:导热系数随着 MWNTs 含量的增加而升高。当MWNTs 的质量分数达到 38 h,混合材料的导热系数比纯HDPE 的高三倍多。徐化明等[22]采用原位聚合法制备的阵列碳纳米管/聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料,在氮气和空气气氛下,复合材料的热分解温度比基体材料分别提高了约 100 和60 ℃。在导热性能上,阵列碳纳米管的加人使得复合材料的导热系数达到 3.0 W/mK,比纯 PMMA 提高了将近 13 倍。
在碳纳米管/聚合物功能复合材料方面最近有南昌大学纳米技术工程研究中心[23]研制的一种多壁碳纳米管/环氧树脂吸波隐身复合材料。通过对多壁碳纳米管进行高温 NaOH 处理,使碳管在其表面产生较多的孔洞,提高碳纳米管的表面活性;制备的吸波隐身复合材料具有良好的雷达吸波效果和可控吸收频段,这种吸波复合材料的体积电阻率在 106~107 ·cm 数量级,具有优良的抗静电能力,这对于调整雷达吸波材料的吸波频段和拓宽吸波频宽有着重要意义。美国克莱姆森大学Rajoriat[24]用多壁碳纳米管对环氧树脂的阻尼性能进行了研究,发现碳纳米管树脂基复合材料比纯环氧树脂的阻尼比增加了大约 140 %。
碳纳米管的长径比大,表面能高,容易发生团聚,使它在聚合物中难以均匀分散。如何让碳纳米管在聚合物基体中实现均匀分散是当前需要解决的首要难题。经表面改性的碳纳米管可均匀分散在聚合物基体中,可以利用化学试剂或高能量放电、紫外线照射等方法处理碳纳米管,引入某些特定的官能团。Liu J 等[25]首先采用体积比为 3∶1 的浓硫酸和浓硝酸对単壁碳纳米管进行氧化处理,得到了端部含羧基的碳纳米管,提高其在多种溶剂中的分散性。ChenQD[26]将碳纳米管用等离子射线处理后引入了多糖链。还可运用机械应力激活碳纳米管表面进行改性,通过粉碎、摩擦、超声等手段实现。
碳纳米管在聚合物中的取向应符合材料受力的要求,研究表明,通过一定的加工例如机械共混剪切可以改善碳纳米管在聚合物中的取向,从而进一步改善复合材料的性能。Jin L[27]将多壁碳纳米管溶解于一种热塑性聚合物溶液中,蒸发干燥制备出碳纳米管呈无序分散状态的薄膜,然后在其软化温度之上加热并用恒定负荷进行机械拉伸,使其在负荷下冷却至室温,发现通过机械拉伸复合物可以实现碳纳米管在复合物中的定向排列。
当前碳纳米管/聚合物复合材料的成型一般采取模压、溶液浇铸等手段,模压操作简单、易于工业化,但在降温过程中,样品由于内外温差较大会发生表面开裂等问题;溶液浇铸形成的样品不受外界应力等因素的影响,但除去溶剂过程较长,碳纳米管易发生团聚。
此外,聚合物进行增强改性所用的填料由原来微米级的玻璃纤维、有机纤维等发展到如今的碳纳米管,填料尺寸上的变化使复合物材料原有的加工技术和表征手段都面临着新的挑战,需要在今后大力发展原子水平的新型加工技术和表征手段,以适应碳纳米管聚合物复合材料发展的需要。
碳纳米管以其独特的性能正在越来越多领域得到应用,随着科学技术的进步当前碳纳米管复合材料制备过程中存在的各种问题会逐渐得到解决,总有一天纳米技术会真正走到人们的现实生活当来,给人们的生活带来翻天覆地的改变。
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摘 要:文章以上海市绿科路新建工程为例,运用桥梁博士软件分析了城市桥梁与城市轨道交通(本文指地下铁道,英译Metro)线位平行时的桥梁下部结构设计和优化,并探讨了桥梁基础与盾构施工的建设时序以及相应的保护措施。
关键词:下部结构;盾构;预应力混凝土盖梁;差异沉降;铅芯橡胶支座
中图分类号:U448 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2015)08-0015-02
随着我国经济快速发展,北京、上海、广州等一线城市的城市轨道交通线路陆续开始建设并投入运营。按照线路架设方式,城市轨道交通分地下、高架和地面三种形式,地下轨道交通(下文简称“地铁”)通常采用盾构施工,隧道结构保护和附加荷载控制严格。在城市桥梁与地铁线位平行的条件下,如何对桥梁下部结构进行优化设计并处理好桥梁基础与隧道结构不同建设时序下的保护措施,是桥梁工程师们正在面对的难题。本文将对此类条件下的某城市桥梁的总体布置作简要阐述,并着重对下部结构建模进行分析、比较,提出桥梁施工期间的保护要点。
上海市绿科路(南洋泾路-罗山路)为城市次干路,双向四车道,红线宽度34 m,道路在桩号K0+694处跨越先生浜河,河道规划蓝线宽度21 m,需新建过河桥梁一座。根据工程可行性研究报告,新建桥梁跨径组合(8+16+8) m,桥位与规划地铁13号线线位重合。桥梁与地铁线位位置平面如图1所示。
依据地铁13号线施工图设计资料,桥位处隧道分上行、下行线,隧道采用盾构施工工艺,外缘直径6.8 m,净距约17.5 m,隧道与桥面中心线平面距离约1.1 m,隧道位于地面以下15~25 m。
初步设计阶段经征询地铁设计单位,明确隧道与桩基净距要求:新建桥梁桩基与隧道外缘净距≤3.0 m。因此,隧道两侧桥梁桩基横桥向净距≥12.8 m(=3.0+6.8+3.0 m),两孔隧道间桩基横桥向布置宽度约11.5 m,详平面图。依据工程建设条件的限制,桥梁应合理布置桩位,采用较大横桥向跨度的桥墩结构,同时做好对桥梁下部结构的保护措施。
根据上海地区的建设经验,中小跨径梁桥的上部结构一般采用预制混凝土空心板梁,其建筑高度低,设计、施工经验成熟,质量有保障。
空心板梁设计汽车荷载:城-B级,16 m跨梁高82 cm、8 m跨梁高52 cm。
具有较大横桥向跨径的桥墩结构中,常见的为门墩式混凝土结构、钢结构。
混凝土结构:采用预应力混凝土盖梁,一般为倒“T”形截面,张拉横向预应力形成竖向抗弯体系。
钢结构:横梁、立柱采用钢构件,一般为型钢组合截面,通过焊接形成框架。
近年来,预应力混凝土盖梁在高架桥梁中应用较多,其设计和施工均比较成熟,一般采用满堂支架现浇,分批张拉预应力;钢结构轻质高强,适用跨度较大,可工厂预制、现场焊接,但单位造价较高,作为桥墩结构,其用钢量较大,浦东地区同类工程应用很少。基于地区适用性和造价考虑,桥墩采用门墩式混凝土结构。
根据桥梁与地铁线位的相对位置以及隧道保护净距要求,总体布置中中立柱承台与桥面中心线的水平距离为1.073 m,桥墩盖梁端部设置边立柱与承台,盖梁中部设置双立柱与承台。
预应力混凝土盖梁采用倒“T”形截面,宽2.8 m(含牛腿各宽0.9 m),截面最大高度1.97 m,盖梁横坡通过截面高度变化形成;立柱截面2×1.5 m;承台厚度2 m;桩基直径0.8 m。
材料:盖梁为C50混凝土;钢绞线采用(1×7-15.20-1860-
GB/T 5224-2003)国家标准,每9根编束;立柱、承台(含桩基)分别采用C40、C30混凝土,普通钢筋采用HRB400。
根据中、边立柱与盖梁的联结方式、盖梁是否设置沉降缝,将盖梁分为三种结构:墩梁全固结;中墩固结边墩释放;墩梁固结盖梁设缝。
依据边界条件分别建立“桥梁博士”模型进行横桥向结构分析计算,根据承载能力、正常使用极限状态下的验算结果,确定桥墩合理的结构形式。考虑桥梁使用和所处I类环境的要求,桥墩盖梁按A类预应力混凝土构件设计。
桥墩立柱均与盖梁固结,盖梁边跨高比(l/h)=8.1,立柱与盖梁节点传递轴力、剪力、弯矩,盖梁受弯时立柱将分摊部分弯矩,立柱横桥向的线刚度(EI/l)以控制柱顶水平位移?驻x时截面内力为目的进行优化。根据桥面及承台顶标高计算,立柱高Hz=2.603 m。盖梁、立柱线刚度计算如下:
盖梁:■;
立柱:■。
两者线刚度之比0.32,因此盖梁横桥向应按三跨连续刚构计算。立柱高度Hz对计算结果影响较大,在施工条件允许时,应尽量降低承台顶标高,以改善盖梁内力。限于篇幅,本文中计算模型单元划分和建立予以省略。
计算模型中桩基按照横向抗弯模量EI等效的原则,将双排桩(桩径d)等效为单根直径dr的桩基(dr=■)。
经初算,预应力钢束分三行三列布置,两端张拉,在盖梁端部锚固。施工阶段划分:立柱及下部基础施工,盖梁钢筋、波纹管、混凝土施工,养护28 d;张拉第一批钢束,架梁,铰缝施工;张拉第二批钢束,桥面铺装施工;成桥10 a;其中,一期、二期恒载、活载按阶段输入。
依据(JTG D62-2004)相关条文,对预应力钢束进行调束,优化各单元截面内力后,结果见表1。
表注:1.表中数值前带“+”表示截面受压,“-”表示截面受拉;中、边立柱的内缘均指桥墩中心线侧;
2.?滓st、?滓lt为在荷载短期、长期效应组合下构件抗裂验算边缘混凝土的法向拉应力;?滓pc为扣除全部预应力损失后的预加力在构件抗裂验算边缘产生的混凝土预压应力;?滓tp为由荷载短期效应组合和预加力产生的混凝土主拉应力。
根据计算结果,结构体系对升、降温,混凝土收缩、徐变,柱顶水平位移,基础差异沉降等作用较为敏感,立柱单侧钢筋配筋率0.3%时,边立柱顶部的柱身裂缝宽度不满足规范要求,各组合下盖梁截面应力满足规范要求。
②中墩固结、边墩释放条件下的结构分析
桥墩中立柱与盖梁固结,边立柱顶面设置单向活动支座,允许该支点处盖梁有横桥向水平位移和转角位移,但纵桥向位移予以约束,避免中立柱在水平面内扭转变形。边立柱与盖梁节点仅传递竖向轴力、纵桥向水平剪力,仅中立柱分摊盖梁的弯矩。
除节点约束外,模型Ⅱ与模型Ⅰ相同,调束并优化截面内力后,结果见表2。
根据计算结果,边立柱与盖梁节点的转角、水平位移约束释放后,升、降温,混凝土收缩、徐变等引起的边立柱附近盖梁弯矩减小,中立柱附近盖梁支点负弯矩、跨中正弯矩有所增加;与模型Ⅰ相比,短期效应组合立柱顶的最大水平剪力增至2 350 kN,柱顶柱身最大弯矩增至2 360 kN·m,立柱底柱身弯矩变化较小,约2 700 kN·m;承载能力极限状态下边立柱顶面最大支座反力为2 260 kN。
综合分析,中立柱柱身最大弯矩变化较小,柱顶水平剪力增幅较大,宜加强柱顶箍筋,减小箍筋间距。立柱单侧钢筋配筋率0.3%时,能较好控制柱身裂缝;各组合下盖梁截面应力满足规范要求,结构受力状况合理。
③墩梁固结、盖梁设缝条件下的结构分析
模型I盖梁未设沉降缝,结构对预应力张拉、升、降温、差异沉降等较为敏感,模型Ⅲ在中立柱间设置沉降缝后,盖梁结构上分为两幅。通过在沉降缝处盖梁端部预埋固定端锚具,边立柱处盖梁端部单端张拉形成预应力体系。该结构降低了超静定次数,为优化设计创造了条件。
模型Ⅲ中单元、荷载、边界条件与模型I基本相同,在设置沉降缝的节点处将左、右单元隔离,预应力钢束在两幅桥墩结构中分别布置,经过试算和调束,优化截面内力后,计算结果见表3。
根据计算结果,立柱单侧钢筋配筋率0.3%时中立柱底部内缘柱身裂缝宽度不满足规范要求,各组合下盖梁截面应力满足规范要求。
④桥墩结构选择及优化
根据分析结果,三种结构特性如下:
墩梁全固结:升、降温,混凝土收缩、徐变,水平位移,基础差异沉降等作用对结构影响明显,立柱裂缝宽度Wfk是结构设计主控因素。
中墩固结、边墩释放:盖梁截面应力、立柱裂缝宽度Wfk满足规范要求,中、边立柱受力合理,盖梁、立柱截面可优化。
墩梁固结、盖梁设缝:结构超静定次数较低,中立柱裂缝是结构设计主控因素;差异沉降时沉降缝附近桥面铺装易纵向开裂。
综合分析,选用结构Ⅱ作为新建桥墩结构;边立柱顶面设置隔震力学性能、耐久性好的铅芯橡胶支座。
新建桥梁应按照地铁隧道盾构和桥梁下部结构的施工时序确定合理的施工组织方案,在保证施工质量、运营安全、结构耐久的前提下,对盾构和桥梁下部结构施工先后的两种工况作简要分析,提出合理的建议。
隧道盾构完工后,施工桥梁桩基础。考虑适用性和无挤土效应,上海地区桥梁桩基常选用钻孔灌注桩,需要注意的是施工中钻孔及泥浆循环容易对桩身附近土层产生扰动,局部土体内力重分布,有可能引起隧道结构变形、裂缝或渗水等不良后果。因此需要在隧道结构上安装监测装置,目的是在桩基及下部结构施工时对隧道结构进行监测。
盾构附近的钻孔桩一定桩身长度范围内推荐设置钢护筒,避免桩基施工对隧道结构的不利影响,该段桩基侧摩阻力不计入桩基承载力。应注意桩基定位精度,并在盾构附近四列纵桥向桩基内设置测斜管,实时监测桩身倾斜度。
施工时原地面的土体开挖或堆载将对下方隧道结构带来附加荷载,应避免在地铁上方原地面进行卸、堆载,承台开挖时应采取有效的等载措施。
本工况中盾构在桥梁下部结构完工后进行,桥梁按照隧道保护距离要求布置桩位,预留盾构空间,钻孔灌注桩桩身应安装监测装置。地铁盾构施工中应加强对桥梁下部结构的保护,控制盾构推进速度,尤其注意边墩桩基础的桩身状况监测,避免土压力变化造成桩基桩身强度破坏或土体扰动带来桩基沉降。
①本文通过建立平面杆系模型,比较分析了受地铁盾构施工影响下的三种桥墩结构形式,推荐了中墩固结、边墩释放的合理桥墩结构,并提出了施工期间的保护措施,希望为同类型桥梁的设计提供借鉴。
②在墩梁完全固结的情况下,桥墩结构受整体升、降温,混凝土收缩、徐变,基础差异沉降的影响明显,应引起桥梁设计人员的重视。
③本文是基于预应力混凝土桥墩盖梁进行的结构分析,桥墩采用钢构件时如何进行结构设计还有待于进一步研究。
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表面处理是在基体材料表面上人工形成一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺方法。表面处理的目的是满足产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特种功能要求。 对于金属铸件,我们比较常用的表面处理方法是,机械打磨,化学处理,表面热处理,喷涂表面,表面处理就是对工件表面进行清洁、清扫、去毛刺、去油污、去氧化皮等。以下是读文网小编为大家精心准备的:表面处理对碳纤织物增强环氧树脂复合材料界面及性能影响研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
金属背衬型聚合物自润滑复合材料因具有减摩、耐磨等优点,在机械设备、船舶等重载摩擦副上得到了广泛应用。碳纤织物增强环氧树脂基自润滑复合材料作为衬层型重载摩擦副用材料,以其优异的力学性能和摩擦学性能、良好的自粘接性以及成型工艺简单等特性已成为当前国内外研究的热点之一。在纤维增强树脂基复合材料中,主要承载组元为纤维,树脂基体将纤维粘接固定并将载荷传递到每根纤维,因此复合材料的界面特性对其力学性能有着重大影响。但是,由于碳纤维表面缺少活性基团呈化学惰性,且其表面光滑,导致碳纤织物与基体浸润性差,不能与基体进行有效结合。因此,要获得力学性能优良的碳纤织物增强复合材料,必须对其进行表面处理,改善其表面浸润性、粗糙程度,产生适合于聚合物粘接的表面形态,从而提高碳纤织物增强复合材料的力学性能。
目前,提高碳纤织物增强复合材料界面性能主要从以下两方面着手: 一是增加纤维表面活性官能团,二是增大纤维表面粗糙度。在对碳纤织物进行表面处理时,以上2 个因素往往同时出现并对碳纤织物增强复合材料的界面性能的改善起协同作用。为了探索提高碳纤织物增强环氧树脂复合材料的力学性能,寻求简单有效的碳纤织物表面处理工艺,在已有研究和前期大量实验基础上,本文研究比较了空气氧化处理、浓硝酸氧化处理、偶联剂涂覆处理、气液双效处理和液相双效处理等表面处理方法对碳纤织物表面及复合材料界面和性能的影响,以此来探索一种工艺简单、环境友好且可显著提高复合材料性能的碳纤织物表面处理工艺。
1. 1 实验材料
碳纤织物( 1K/T300) : 日本东丽; 环氧树脂E51( 环氧值0. 53 ) : 巴陵石化公司; 环氧丙烷丁基醚( 501) : 纯度大于等于99. 5%,广州江盛华工科技有限公司; 邻苯二甲酸二丁酯: 纯度大于99. 0%,天津市富宇精细华工有限公司; 105 缩胺环氧固化剂( 缩胺105) : 苏州光福材料厂; 偶联剂Y-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷( KH-560) : 东莞市信康有机硅材料有限公司。
1. 2 实验过程
碳纤织物在使用前,首先在丙酮溶液中浸泡48 h,再放入恒温真空干燥箱中100 ℃干燥3 h,以除去其表面的预浸胶料、污染物等,记为未处理碳纤织物; 然后分别采用空气氧化( 450 ℃ /45min) 、浓硝酸氧化( 95℃ /90min) 、偶联剂涂覆( 3% KH560 /10min) 、气液双效处理( 空气氧化450 ℃ /45min + 偶联剂涂覆3%KH560 /10min) 、液相双效处理( 浓硝酸95 ℃ /90min +偶联剂涂覆3% KH560 /10min) 对碳纤织物进行表面处理。
检测分析试样采用手糊模压法制备,将配制好的环氧树脂胶体通过手糊法涂覆于碳纤织物表面,然后放置于采用螺栓加压固定的模具中,在真空度为- 100kPa 的真空箱中常温固化24 h,获得表面平整、无气泡、裂纹、分层等缺陷的试样。
1. 3 测试与表征
利用日本日立S-3400N 型扫描电子显微镜进行断口形貌与碳纤织物表面形貌分析; 采用美国安捷伦5100 原子力显微镜对碳纤织物进行表面形貌分析并计算其表面粗糙度; 采用德国Elementar 公司VarioELIII型元素分析仪对碳纤进行元素分析,分析处理前后碳纤织物中C,O,N 元素变化; 采用美国Nicolet6700傅里叶红外光谱仪对处理前后碳纤表面进行分析; 复合材料力学性能测试在WDW3005 电液伺服万能实验机上进行,各测试试样按照国家相关标准制备; 根据GB /T 3855 - 2005《碳纤维增强塑料树脂含量试验方法》,采用称量法进行复合材料含胶量测试,称量精确至0. 1 mg。力学性能与含胶量实验过程中每个实验重复3 个试样,结果取平均值。
2. 1 碳纤表面形貌
未经表面处理和分别经过空气氧化、浓硝酸氧化、偶联剂涂覆、气液双效和液相双效处理后的碳纤表面形貌图。从Fig. 1 中可以看出,对市场上购买的经丙酮清洗并烘干后的碳纤织物,即实验中未处理的碳纤,其表面光滑平整,仅有轻微的纵向沟槽,根据原子力显微镜检测、计算结果,其表面粗糙度平均为12. 8 nm; 采用空气氧化处理后,碳纤被氧化,出现剥落、凸起现象,且表面纵向沟槽加宽加深,同时附着有少量颗粒物,其表面粗糙度平均为52. 5 nm; 浓硝酸氧化处理后,纤维表面呈现明显的沟槽状刻蚀,并伴随有颗粒状附着物,其表面粗糙度平均为39. 5 nm; 采用偶联剂涂覆处理的碳纤,在纤维表面形成一层比较均匀的偶联剂覆盖层,同时纤维本身基本未受到损伤; 而对于采用气液双效和液相双效处理的碳纤,由于碳纤在氧化处理过程中,在表面形成了较深的刻蚀,表面粗糙度增加,从而与偶联剂之间的粘着性增强,所以在又经偶联剂处理后,表面偶联剂粘附明显增加。
这表明,与未处理碳纤相比,氧化处理可增加碳纤维表面粗糙度,能增大碳纤与基体之间的接触面积,从而有效提高纤维与基体之间的粘接性能; 偶联剂处理后,在碳纤表面形成一层偶联剂粘附层,使碳纤表面活性增加,也可以增加碳纤与基体之间的粘着力。但氧化处理会对碳纤产生一定的刻蚀,从而会对碳纤本身力学性能产生不利影响,可能会降低复合材料的性能,因此,在选择碳纤表面处理方法时需综合其对复合材料性能的影响。
同时,由于采用偶联剂处理,在碳纤表面形成的偶联剂涂覆层会影响表面粗糙度的测量,因此,实验中未对偶联剂处理的碳纤进行表面粗糙度测量。
2. 2 复合材料含胶量
在纤维增强复合材料中,胶体含量的多少对材料的性能有着重要影响,也是材料制备工艺控制的目标之一。相同制备工艺条件下,未处理和经不同表面处理后碳纤织物增强环氧树脂基复合材料胶体含量。所制备的碳纤织物增强环氧树脂复合材料含胶量为30% 左右,其中碳纤织物未处理的复合材料含胶量最高,为33. 7%; 而经不同表面处理后的复合材料,含胶量略低,其中液相双效处理含胶量最低为29. 9%,较未处理的降低了11. 3%。这可能是因为,未处理的碳纤织物与胶体之间浸润性较差,胶体易于聚集,在模压成型过程中难以流动,从而导致含胶量较高; 而经表面处理后,胶体与碳纤织物之间的浸润性得到改善,胶体易于均匀填充、分布于碳纤织物之间,从而在加压过程中易于流出,所以胶体含量略低。这同时也说明,实验中所采用的复合材料材料制备工艺在胶体控制方面,具有较好的一致性和可重复性,从而也基本消除了含胶量对不同碳纤织物表面处理方法复合材料力学性能的影响。
2. 3 复合材料力学性能
未经表面处理和分别经过不同表面处理方法处理后的碳纤织物增强环氧树脂复合材料层间剪切强度。对于未经表面处理的碳纤织物,所制备复合材料层间剪切强度平均仅为21. 5 MPa; 经表面处理后,其层间剪切强度均得到显著提高,其中空气氧化处理提高幅度最低,平均为33. 1MPa; 偶联剂涂覆处理平均为43. 2 MPa; 采用气液双效处理的层间剪切强度最高,平均达44. 3 MPa,与未经表面处理的碳纤织物相比,提高1 倍多。这表明,对碳纤织物进行表面处理,无论是采用增加纤维表面活性官能团的偶联剂涂覆和双效处理,还是采用增加纤维表面粗糙度的氧化法,均可有效提高复合材料层间剪切强度。
这是因为对于纤维增强环氧树脂复合材料,层间剪切强度主要取决于基体和界面的性能,其剪切破坏主要是由基体剪切破坏、纤维断裂和复合界面脱粘引起,因此,在基体材料一定的情况下,纤维及纤维与基体之间的结合界面就对复合材料层间剪切强度产生重要影响。虽然实验中对碳纤织物进行表面处理后,纤维本身会受到损伤尤其是氧化法,导致纤维强度降低,但表面处理的复合材料层间剪切强度均得到明显提高,这也表明表面处理对碳纤织物增强环氧树脂复合材料层间剪切强度的重要有利作用。
同时,经表面处理的碳纤织物复合材料层间剪切强度值离散性小于未处理的,这表明表面处理后复合材料性能更加均匀一致,可能是因为表面处理增强了碳纤织物与聚合物之间的浸润性与粘接均匀性,这对提高复合材料性能均匀性和可靠性十分有利。
为了进一步研究不同碳纤织物表面处理方法对复合材料力学性能的影响, 给出了未经表面处理和分别经过上述不同方法表面处理后的碳纤织物增强环氧树脂复合材料的弯曲、拉伸、压缩强度和冲击韧性。从中可以看出,与未处理碳纤织物相比,经不同方法处理后,复合材料的弯曲强度、压缩强度和冲击韧性均有明显提高,尤其是弯曲强度得到大幅度提高,其中采用偶联剂处理的,其弯曲强度为1088. 9MPa,较未处理的533. 6 MPa 提高104. 1%。而拉伸强度,采用偶联剂处理的试样达538. 1 MPa,与未经处理的413. 9 MPa 相比,提高30. 3%; 而经其它方法处理后的试样,则有所降低或提高不大。
由此可知,与采用未经处理的碳纤织物制备的复合材料相比,经表面处理后的碳纤织物复合材料,其性能可得到有效提高; 综合考虑各项性能指标,以偶联剂处理效果最佳。这主要是因为偶联剂作为一种改善纤维表面活性官能团的处理方法,一方面能增大纤维表面活性,提高纤维与树脂基体之间的粘接性,另一方面,偶联剂处理不会对纤维表面产生破坏,从而不降低纤维本身力学性能。经氧化处理后,碳纤维中C 含量由未经处理的90. 9% ( 质量分数) 降低为空气氧化处理的90. 7% 和硝酸氧化处理的86. 0%,而O含量由未经处理的1. 3% 分别增加至1. 5% 和8. 4%,N含量则由7. 8% 分别变化至7. 7% 和5. 6%。这表明经过空气氧化和硝酸氧化处理后,碳纤表面O,N 元素与C 元素比例得到明显提高,即含氧官能团和含氮官能团得到了有效增加。所以双效处理后,偶联剂与碳纤表面含氧官能团和含氮官能团进行化学作用,同时偶联剂的环氧端基扩散到聚合物基体中形成化学键,从而使其一些性能指标得到进一步提高。但是由于氧化处理会不同程度的损伤碳纤,从而影响碳纤织物增强复合材料力学性能,这也是空气氧化、硝酸氧化以及气液双效和液相双效处理后复合材料一些性能指标低于单独偶联剂处理的原因。
为了进一步探索偶联剂涂覆处理对碳纤表面的影响,Fig. 4 给出了未经表面处理和经偶联剂涂覆处理后,碳纤表面傅里叶红外光谱分析结果。从图中可以看出,经偶联剂涂覆处理后,在3440 cm - 1 和1645cm - 1处结合峰显著加宽,同时在2360 cm - 1 处结合峰显著增强,这表明处理后的碳纤表面活性官能团显著增加,从而有利于增强碳纤与环氧树脂基体的粘接性,进而使复合材料的力学性能得到有效改善。
2. 4 断口分析
由以上实验结果可知,实验条件下,碳纤织物采用偶联剂涂覆表面处理,对复合材料性能提高最大。为了进一步分析表面处理对复合材料性能影响的机理,分别对未处理和偶联剂涂覆处理碳纤层间剪切强度测试单丝表面形貌进行了分析。未处理的碳纤表面光滑,层间剪切破坏后,碳纤表面仅有少量聚合物粘附物; 而偶联剂涂覆处理的碳纤表面则粘附有大量的聚合物。这表明表面处理后,碳纤与聚合物之间粘接性大大提高,从而使其层间剪切强度得到有效提高。这是因为,当碳纤织物增强环氧树脂复合材料受到外力作用时,聚合物作为传力组元,若聚合物与碳纤之间不能良好的粘接,则难以使其负荷得到有效传递,从而易于产生应力集中,导致其内部裂纹快速扩展,性能大大降低。
碳纤织物未处理和偶联剂涂覆处理后复合材料压缩断口扫描形貌。从可以看出,碳纤织物未处理的复合材料压缩断口碳纤分布散乱且长短不一,同时聚合物分布不均,存在明显的聚集; 经偶联剂涂覆处理的复合材料压缩断口平整光滑,聚合物分布比较均匀,每根碳纤周围较均匀地被聚合物包覆且结合良好。这表明偶联剂涂覆处理可有效增加碳纤织物与聚合物之间的粘附性,也有利于碳纤织物与聚合物之间良好浸润,使其组织更加均匀,从而其力学性能得到有效提高。
综上所述,碳纤织物表面处理可有效提高复合材料的力学性能。空气氧化法和硝酸氧化法以及由二者与偶联剂涂覆结合的双效处理法,虽然可使复合材料一些性能指标得到提高,但在氧化过程中,会使碳纤受到损伤,从而对复合材料一些性能产生不利影响; 而偶联剂涂覆处理作为一种增加碳纤表面活性官能团的处理方法,既不降低碳纤力学性能又可提高碳纤与聚合物之间的粘接强度,综合考虑其对复合材料各项性能指标的影响,实验条件下,偶联剂涂覆处理是一种比较理想的碳纤织物表面处理方法,同时还具有工艺简单易行的优点。
( 1) 未处理的碳纤表面光滑平整,其表面粗糙度平均为12. 8 nm,经氧化法处理碳纤表面被明显刻蚀,表面粗糙度增加; 偶联剂处理的碳纤在其表面形成一层均匀的偶联剂覆盖层。
( 2) 与未处理的碳纤织物相比,气液双效处理表面处理后碳纤织物增强环氧树脂复合材料层间剪切强度得到明显提高,由未处理的21. 5 MPa 增大到44. 3MPa。
( 3) 经偶联剂涂覆处理的碳纤织物,其复合材料具有较佳的综合力学性能,其弯曲强度为1088. 9MPa,拉伸强度为538. 1 MPa,压缩强度为551. 3 MPa,冲击韧性为72. 2 kJ /m2,而未处理则分别仅为533. 6MPa,413. 9 MPa,417. 8 MPa 和47. 9 kJ /m2。
( 4) 断口形貌分析表明,碳纤未处理的复合材料断口碳纤杂乱,胶体分布不均; 偶联剂涂覆处理的复合材料断口光滑平齐,胶体均匀包覆于碳纤周围。
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复合材料,是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:关于航空复合材料技术发展的回顾及展望相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
复合材料自研发以来,被广泛地运用于航空工业中,例如在民用航天领域上,飞机的大部分都是采用复合材料,在航天飞行器的许多零件也是由复合材料构成的,导弹、运载火箭等的应用更是普遍,由此可见复合材料对航空工业的重要性。但是我国目前在复合材料的技术方面还不太成熟,所以我们要在前人的基础上不断探求发展之路。
我国在1958 年开始使用复合材料,初期便运用于航天工业。之后,我国的复合材料发展迅速,复合材料被广泛地应用于各个领域。一开始,复合材料主要用在飞机的雷达罩、副油箱等,但当时采用的是玻璃钢纤维,由于玻璃钢纤维的弹性很小,不能运用于飞机受力大的部位,后来便出现了硼纤维,但硼纤维因为不能被长时间加工,所以只能用在飞机修理方面,综合各方面因素,碳纤维成了飞机上主要使用的复合材料。现如今,复合材料凭借着它抗腐蚀性好、成本低、使用时间长等优点应用在飞机的各个方面。50 多年过去了,我国的复合材料技术不断发展,现已经建立的航空航天材料基本体系可以满足我国目前航空航天需求,复合材料的生产能力和协作配套网络,也使得我国的航天工业处于稳定发展阶段,形成复合材料的所用的原材料也基本上是自产自销。虽然这样,我们在某些高水平研究上人与发达国家有较大的差距,优质的碳纤维和其他高水平的复合材料大多数是从其他国家买进的,这极大地限制了我国航天技术的发展。所以目前我们不仅要增加复合材料的产量而且还得提高它的质量,只有复合材料的技术提高,我国的航天工业才会更迅速地发展起来。
2.1 复合材料在军事方面的应用
复合材料在一问世时,就被应用在军事飞机上,复合材料的使用使军机更加轻便,可携带更多的炸弹。随着时代的发展,复合材料在军机上所占比重越来越大,所承担的任务越来越重要。复合材料不仅仅用在战机上面,在直升机上也广泛应用,复合材料使得直升机的重量减轻,在起飞时节省时间,同时复合材料的应用还可以减少直升飞机的坠毁概率,保障了战士们的安全。近几年,无人机的问世也掀起了一阵热潮,无人机的主要作用是携带武器,作为战斗武器来使用,这就要求无人机在体积一定的情况下尽可能多的装备武器,复合材料使这个设想成为可能。RQ-4B 高空长时间无人侦察机,除机身主结构为铝合金外,剩下的都是复合材料构成的。军事中不仅仅有战斗还有物资需求,采用复合材料制造出来的大型货运机可以携带大量的军需物资,在战争中发挥巨大作用。
2.2 复合材料在民用方面的应用
现在复合材料渐渐应用于民用飞机上。由于民用飞机与战机不同,民用飞机载人数量多、重量大,所以这就要求飞机的结构牢固。在初期,复合材料只用在一些辅助性的结构上,比如我们所熟知的波音号飞机,在前几个型号上,复合材料的应用不足10%,而后来随着复合材料技术的不断精进,几年之后波音787 上的复合材料竟然占到机身总重量的一半并且广泛应用在主要受力结构上。复合材料在民用飞机上大范围使用这是民用飞机史上的一次重大改变,复合材料让飞机更加轻便,强度更高,使用年限更久同时也使飞机的安全性得到了保障,复合材料的还使得飞机的成本下降,所以,复合材料在民用航空的前景必然十分光明。
2.3 复合材料在航天的应用
当航天技术开始研究时,科学家们就提出必须要用先进的、轻便的、耐用的材料来制作。航天飞机最主要的任务就是以最低的成本,用可持续利用的飞行器,把尽可能大的有效载荷送上太空中。那时候人们就开始研制高科技材料,经过不断的试验和技术的提高,人们发现复合材料不仅具有高比强度、高比刚度和重量轻等优点,某些复合材料还有可以焊接、耐腐蚀等独特的优点,这些优点都非常符合航天飞机结构材料要求尤其适用于轨道器结构系统中。在航天飞机上,它的推力结构用的是硼/环氧、铝/硼和石墨/环氧等复合材料,在环形框架、大梁、衍条、蒙皮横梁、连接件中也采用了大量的复合材料,储箱的衬桶上用玻璃纤维围绕着,外壳用玻璃纤维和蜂窝纤维包裹,航天飞机上复合材料的用量高达190 多公斤。
复合材料的发展历史和在航天工业的应用我们已经有所了解,复合材料的重要性已经不言而喻,所以复合材料的前景是十分光明的但是到目前为止,复合材料还没有被普遍地使用,究其根由有这几方面:第一是复合材料的造价太贵,这并不是说复合材料的成本高,它的成本是低于一般材料的,但由于技术的不成熟和原料的不充裕,综合下来它的造价是非常高的。第二是国内的复合材料原材料不符合标准,基础非常差。第三是因为我国的理论知识非常落后。由于历史原因,我国的高新技术产业起步较迟发展较为缓慢,复合材料在国内的应用也比较晚,这些原因导致的是我国的复合材料技术很不完善。在航天工业中,我国许多复合材料依赖进口,本国并不能生产,所以我们面临的主要问题是如何大力发展我们的技术,不再一味的向其他国际买进,形成我们自己的特色产品。
作者认为应该从以下几个方面改进:(1) 对航空航天与民用领域中广泛采用的材料例如各种先进复合材料及一些传统结构材料进行精加工,进一步研制,使它们的成本下降,可以广泛用在各个领域。(2)加强对复合材料原材料的改进。(3)利用发达的计算机技术来进行理论设计,减少了材料的浪费,达到省时省力保证质量和降低成本的目的。
我国的复合材料技术在起步时就已经落后于其他国家,当复合材料的重要性越来越明显,应用前景越来越广泛时,我们不能再落后,国家应大力扶持复合材料在航天工业中的研究项目,在新世纪我国的航天工业会随着复合材料技术的发展逐渐壮大,屹立于世界不败之地。
【关于航空复合材料技术发展的回顾及展望】相关
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20世纪初,美国的莱特兄弟在世界飞机发展史上做出了重大的贡献。在1903年制造出了第一架依靠自身动力进行载人飞行的飞机“飞行者一号”,并且获得试飞成功。他们因此于1909年获得美国国会荣誉奖。同年,他们创办了“莱特飞机公司”。自从飞机发明以后,飞机日益成为现代文明不可缺少的交通工具。它深刻地改变和影响了人们的生活,开启了人们征服蓝天的历史。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:探析飞机结构设计的知识获取与重用方法研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
数字化以及智能化作为现代制造技术的重要特征和发展趋势,已经对飞机结构的设计等有着重要的影响,在这一过程中的知识重用方法的关键技术是实现飞机结构科学设计的重要保障,加强其理论研究对实际发展就有着重要性。
2.1 面向飞机结构设计的知识获取技术分析
对于飞机结构的设计知识有着图表公式和实例等不同类型,这样就需要进行研究不同的知识获取方法,并实现各种类型的知识规范化表达。从知识获取技术层面来说主要有基于模糊聚类分析数据挖掘技术,这样就能够让无规律海量数据变得有意义,但这也是有着挑战性的一项工作,对飞机结构的设计当中所遇到的设计数据构建算法,并详细说明模糊聚类分析法在知识挖掘当中的应用,对结构设计所形成的数据集进行充分考虑。这是有着大量设计例子的数据,并能从多个特征来加以刻画,结合其型号能够将其分成大中小三种级别并由此来构建数据集。还有就是曲线图坐标点数字化处理技术,在飞机结构设计中尤其是计算机还没有很发达的年代,就比较容易遇到曲线图形式保存图纸上的数据情况,在科学技术不断发展进步过程中,通过数字化的形式进行处理数据已经比较流行。在数字化技术下能够将曲线图查询及交流共享等在作业的效率上得到大幅度提升。
2.2 面向飞机结构设计的知识重用方法分析
针对飞机的结构设计重用已有的设计知识就显得比较重要,这不只是能够将设计的效率得以有效提升,同时也能将设计的可靠性得以有效提升。通常对于知识的重用主要是针对计算机的重用而言的,也就是对计算机所支持的重用方法和系统模型等进行研究,把以往的设计实例及规则过程等在现阶段的设计活动当中进行应用,以此来起到飞机结构设计的辅助作用目标。
3.1 面向飞机结构设计的知识表达方法分析
所谓的知识表达就是把所获取的知识进行转化为能够被数字化设计利用的形式,然后针对多样化的知识形态以及多样化的方法进行对知识单元加以表达,从而达到位知识的重用提供支持的作用。在这一过程中要能够注意对飞机结构设计当中所遇到的过程性和规则性等表达方法加强重视,从规则性的知识表达层面来看这也是比较常见的知识类型,比较适用于半自动方式的获取,在规则性知识库的作用下能够为飞机结构提供支持。
由于规则性的知识在结构性方面较强,所以就相对比较适用于半自动方式来加以处理,比较常用的就是知识编辑器,其能够在界面录入相关知识在获得原有知识输入后能对其内容加以解析并和规则知识库自动进行交互以及对相关知识加以检测,经过检测之后将能够符合规则的知识自动转换成知识表达的形式加以保存,以此来完成新的规则性知识进行录入,如下图所示。在飞机结构的设计过程中比较常用的就是飞机设计手册,这其中就有着大量计算规则以及公式等,将这些相关的公式以及信息录入到知识编辑器当中就能够对设计人员起到辅助的作用。具体的步骤就是先要手动录入规则前提及结论,对所输入的相关内容加以识别,并对字符串变量内容加以解析,最后就是对所录入的知识片体加以编译。
面向飞机结构设计有着诸多的难度和复杂点,故此通过以往飞机结构设计知识进行对设计者起到辅助作用,就能将其价值得到充分发挥。对飞机结构设计遇到的多样知识形式要能进行建立知识重用模型,并要能够将可拓学知识形式划分事元物元以及关系元这几种类型,物元其设计对象是结构设计当中静态设计知识,而事元则是结构设计中的行为,关系元是结构设计中之间的互相依赖的关系,这些都统称为基元。
飞机结构的设计知识重用过程主要能够分为两种情况,一个是直接的采用已有的知识,还有就是在已有的知识对实际的需求不能得到满足的情况下就要能够对知识进行转化,而在可拓学的基础上就能够在可拓变换后所获得的拓展基元能够对设计要求得到满足的时候,就能够将其作为重用对象加以对结构设计进行辅佐。从具体的步骤上主要就是先进行计算可拓重用特征系数,以及确定飞机结构设计需要的基元权重,再进行计算拓展基元的可拓重用度。
总而言之,对面向飞机结构设计的知识获取技术和重用方法的分析对实际的操作有着重要促进作用,这也是对实际技术的发展有着重要意义的事情,能够有效提升飞机结构数字化成都及市场响应速度。由于本文的篇幅限制不能进一步深化探究,希望借此研究能起到抛砖引玉的作用,以待后来者居上。
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随着先进复合材料成型工艺的不断进步,研究其过程中的质量控制显现出了重要的现实意义。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:浅谈先进复合材料成型工艺过程中的质量控制相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:介绍了先进复合材料的性能和工艺特点,着重从原材料质量控制、工艺过程质量控制和成品检验等方面阐述了研究先进复合材料成型工艺过程中的质量控制的意义。实践表明,加强先进复合材料成型工艺过程中的质量控制,对先进复合材料内部的质量进行全面监测控制,可有效地提高航天器复合材料的产品质量和可靠性。
【关键词】:先进复合材料 原材料 工艺过程 成品检验 质量控制
作为一项具有较强特殊性的工作,先进复合材料成型工艺得到了长足的发展和进步。研究该项工作过程中的质量控制,能够更好地提升先进复合材料成型的最终效果。
当前复合材料整体成型技术在航空航天等技术领域都得到了广泛的应用,在实际操作中这种工艺技术能够有效的降低制作费用,减轻机械的总体重量,在经济以及环保方面都能够发挥良好的优势作用,因此,在航天器领域中人们可以通过其复合材料的使用情况来对它的先进性进行评断。
飞机结构上符合材料的加入,能够有效的增强飞机的轻质化、模块化等特点,随着先进工艺的发展,复合材料在飞机上得到了更加广泛的使用,已经成为继铝、钢、钛之后的第四大航空领域结构材料类型,复合材料整体成型工艺在不断的发展进步中,从原来的次要承力件变为了主要承力件,复合材料成型工艺已经成为了主要民机行业竞相争抢的主要技术之一,无疑,复合材料的应用以及技术的先进性也已经成为了其先进性、专业性的对比内容项目之一。因此,在专利的申请方面也成为了航空企业互相竞争的内容之一,复合材料研发以及专利的申请竞争日益激烈,,波音公司在专利的申请上凭借它一直以来在复合材料应用领域的强大基础,拥有了大量的具有技术价值的基础性质的专利。而空客公司则主要凭借欧洲航空工业在符合材料行业的强大基础,进行了大胆的创新制造,也成功的获得了许多权威的、有价值的专利,成为了行业内的后起之秀,从这些实际竞争情况来看先进复合材料的研发已经成为了大势所趋。
在先进复合材料的成型过程中必须始终保持均匀稳定原料补充,这样才能更好的使之定型,形成复合材料的原材料中的天然纤维的结构以及特性对成品有着关键性的影响,如果天然纤维中的水分含量在8% 以上,则会对材料的成型造成一定的影响,因此,在生产过程中需要特别注意含水比例尽量控制在8% 以下。
3.1天然纤维粉粒进料以及粒料供给方式分析
在进料之前需要将天然纤维粉进行造粒处理,提高其自身的体积比重,然后混合合成树脂、添加剂等材料分别装入挤出机中。比例少的合成树脂在这种锥形双螺杆挤出机中能够做到快速熔融,最后分散在天然纤维之中,这种操作手段能够比较简便的实现混合比率的改变,该方式辅助设施简单容易操作。
粒料的供给是通过使用单螺杆或双螺杆挤出机等方式来实现的,具体的操作内容就是将天然纤维、合成树脂、添加剂三种材料进行造粒处理,然后加入挤出机进行成型。这种生产方式的优势在于现有设备比较齐全,但是,天然纤维需要干燥之后才能进入造粒挤出机。
3.2积聚( 集成体) 进料方式与冷搅拌方式
积聚进料的方式是通过使用高速搅拌器来工作的,天然纤维、合成树脂以及添加剂需要进行预处理,形成豆粒大块状体,然后将其加入挤出机中进行成型处理,这种方式能够在一定程度上脱除水分、气体。冷搅拌方式是将木粉中存有的粉状树脂、添加剂等进行集中搅拌,而天然纤维则通过喂料器向挤出机中提供原料。这一过程天然纤维、合成树脂、添加剂等材料不用单独制作,但是必须保持粉状形态,而且需要保持天然纤维的充分干燥。
目前,世界各国已经形成了原材料、成型工艺、机械设备、产品种类及性能检验等一系列较完整的工业体系,与其他工业相比,发展速度比较快。树脂基复合材料的成型工艺也从最初的手工操作工艺逐步向技术密集、高度自动化、高生产率、高稳定性的成型工艺上发展,并随着应用领域的广泛开拓,出现了多种成型工艺并存的现象,而且还在不断衍生出新的工艺类型。
4.1手糊成型工艺
手糊成型工艺又称低压接触成型工艺,是树脂基复合材料工业中使用最早的一种工艺方法,操作方法简单,几乎可适用于所有的复合材料制品的生产,且投入小,但对操作人员技术熟练程度的依赖性较大,生产出的制品单面光洁,产品质量不够稳定。随着各种新工艺形式的不断涌现,手糊成型工艺所占比例逐渐降低,但手糊工艺因具有独特的其他工艺不可替代的尤其是在生产大型制品方面特点,所以仍然在行业内占据着重要的地位。
主要应用领域:建筑雕塑领域如采光顶、活动房屋等;交通设施领域如游艇、汽车壳体、发动机罩等;环境与能源领域如风力发电机用机舱罩、叶片、沼气池等;体育游乐设备领域如游乐车、水滑梯等。
4.2喷射成型工艺
喷射成型工艺是利用喷射设备将树脂雾化,并与切断的纤维在空间混合后落在模具上面,然后压实排出气泡固化,它是在手糊工艺基础上发展而来的,是将手糊操作中的纤维铺覆和浸胶工作转变为了机械化来完成,是一种相对效率较高的工艺,其生产效率是手糊工艺的2 ~ 4 倍。喷射工艺同样对操作人员的技术水平依赖较大,且由于增强纤维以断切的形式存在,树脂含量高,制品的强度较低,同时由于喷射设备的原因,其采用阳模成型方便,而采用阴模成型困难较大,且大型制品比小型制品更适合于喷射成型工艺。
主要应用领域:喷射成型工艺主要应用于大型产品的制作及建筑物补强等,代表性的产品有玻璃钢浴缸、整体卫生间、卡车导流罩、净化槽、船身等。
通过对先进复合材料成型工艺过程中质量控制的相关研究,我们可以发现,该项工作的良好开展有赖于对多方面技术的有效利用,有关人员应该从先进复合材料成型的客观实际出发,研究制定最为可行的质量控制方法。
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由于纳米颗粒具有大的比表面积和强的界面相互作用力,较传统的微米颗粒增强铝基复合材料,纳米颗粒增强铝基复合材料的比强度、比模量、耐蚀性、导电及导热性能等均有大幅度的提高,使其在航空航天、汽车工业以及其它领域具有更广阔的应用前景。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:制备工艺对Al基复合材料的结构和性能影响的分析相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:研究了不同烧结温度对Al-20%Si C复合材料显微组织、致密化和摩擦磨损性能的影响。随着烧结温度的提高,烧结体组织晶粒不断粗化,孔隙减少、尺寸降低;烧结体的相对密度提高。随着烧结温度的升高,烧结试样的摩擦系数与磨损量逐渐降低,材料的耐磨性能越来越好。最佳烧结温度为550℃。
【关键词】: Al基复合材料 烧结温度 力学性能
Al 基粉末冶金摩擦材料由于其具有良好的导热、耐磨及摩擦因数高等特性而广泛应用于飞机、汽车、船舶和工程机械等刹车装置及离合器上。由于纯Al 强度不高,故采取在Al 基体中添加Cu、Mg、Fe 合金元素来提高材料的强度和硬度,通过改变它们的百分含量来研究基体的摩擦磨损性能。材料中加入SiC 粉末用以提高摩擦因数,以石墨C 作为润滑组元。本文采用用粉末冶金方法制备Al 基复合材料,研究制备工艺对Al 基复合材料的组织及性能的影响。
实验原料采用粒度< 100μm 铝粉( 纯度≥99. 0%) 和粒度<200μmSiC 粉( 纯度≥99. 0%) 。按照质量百分比Al + 20% SiC 配比称取粉末,以无水乙醇为混料介质,在行星式球磨机中混料。将混合后粉末在100MPa 下单向轴向压制成形,压制后的坯体样品在真空炉中分别在500℃、550℃、600 ℃、650 ℃烧结,保温2h,之后随炉冷却。采用排水法测量合金烧结体的体积密度,采用显洛氏硬度计测试样品的硬度。合金样品经砂纸打磨,机械抛光后,用JSM - 6510LA 扫描电镜分析样品组织形貌。摩擦磨损试验在M - 2000 型摩擦磨损试验机上进行。
2结果与讨论
由图1 可以看出,烧结温度为550°C,样品密度和硬度值最大。在烧结的过程中,分为固相烧结和液相烧结两个过程,固相烧结过程中,坯体的烧结主要依靠不同组分颗粒之间的互扩散与坯体的合金均匀化过程来完成,由于颗粒不能发生相对运动,所以坯体烧结的致密化程度较低,坯体内部存在大量的孔隙。当液相生成后,在不平衡的毛细管力作用下,固体颗粒进行位置的调整与重新分布以达到最紧密的排布,这时烧结体的致密化程度和密度迅速增大。因此当烧结温度达到550°C 以后,随着烧结温度的继续升高,烧结过程中逐渐出现大量的液相,坯体孔隙率明显下降,致密化程度与密度急剧减少。
由粘着磨损和磨粒磨损表达式知道磨损量与硬度成反比所以选择这两组试样做磨损实验,从上图可以看出硬度最大的时候磨损量最小,球磨时间相同时温度越高,磨损量先减少后增加。综上所述,烧结温度为550 °C时磨损量最少,耐磨性最好。
样品表面有适量的陶瓷颗粒,分布比较比较均匀,这些陶瓷颗粒就是增强Al 基材料性能的颗粒。当低温烧结时,由于烧结不充分,材料中含有大量的孔隙,基体中各组元结合不够紧密,增强相颗粒与基体组元间的结合被消弱。当烧结温度为550 °C 时,孔隙度较小,组织结构分布较均匀,故其致密化程度较高,其耐磨性较高。图3 烧结温度为550 °C 样品的SEM 图片
采用粉末冶金法制备出Al 基复合材料,研究了不同烧结温度对材料的组织和力学性能的影响。随着烧结温度的升高,组织结构分布较均匀,烧结体的致密化程度和耐磨性得到提高。最佳烧结温度为550 °C 时,样品具有较高的密度和较好的耐磨性。
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采用表面修饰技术和原位还原碳化技术制备了纳米碳化钨(WC)/碳纳米管(CNT)纳米复合材料,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和热重-差热分析(TG-DTA)等手段对WC/CNT纳米复合材料的晶相组成、形态结构和热稳定性进行了表征,结果显示样品是由WC和CNT两相构成,纳米WC颗粒均匀地分散在碳纳米管上,粒径细小;在空气气氛中,WC/CNT纳米复合材料在470℃以下保持稳定。采用循环伏安法研究了WC/CNT纳米复合材料对硝基苯的电催化活性和电化学稳定性。结果表明,WC/CNT纳米复合材料对硝基苯的电催化活性优于纳米WC和CNT,且WC/CNT纳米复合材料在硝基苯电还原过程中保持良好的化学稳定性。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:碳化钨与蒙脱石纳米复合材料的制备与电催化活性研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:具有类铂催化性能的碳化钨(WC)催化材料是当前研究的热点与难点.本文以六氯化钨为钨源,用剥离后的蒙脱石片层为载体,将化学浸渍法与原位还原碳化法技术相结合制备了碳化钨与蒙脱石纳米复合材料;复合材料由碳化钨、碳化二钨(W2C)和蒙脱石(MMT)组成,碳化钨呈颗粒状分散或呈层状负载于MMT外表面;样品的晶相组成与其还原碳化时间有关;样品的微结构特征与前驱体中钨与蒙脱石的比例有关.采用三电极体系和循环伏安法测试了样品在酸性溶液中对甲醇的电催化氧化性能,结果表明,碳化钨与蒙脱石复合之后对甲醇的电催化性能明显提升,并具有类铂电催化活性;当钨与蒙脱石质量比为4的前驱体经5 h还原碳化后,样品中WC占绝对主导,WC和W2C的质量分数分别为82%和18%,两者的比值为4.556,且在MMT外表面形成均匀的负载层.此时样品的电催化活性最高.这为制备具有类铂催化活性的高性能碳化钨催化材料奠定了坚实基础.
【关键词】:碳化钨 蒙脱石 纳米复合材料 电催化活性 类铂催化性能
碳化钨(WC)的核外电子排布因与铂类似而具有类铂催化性能,1 可用作电化学领域的催化剂,2,3 且由于具有优越的抗H2S和CO中毒能力等特点4而成为当今研究的热点, 但是其电催化活性远不如铂等贵金属催化剂.5,6 因此, 提高活性是WC替代或部分替代铂等贵金属催化剂的关键和面临的技术难题.研究表明, 结构和形貌调控,7,8 碳包覆9-15及与其它载体复合16是提高WC活性的有效技术手段. 本课题组在这方面也开展一些有针对性的研究工作,如制备WC/CNT、17 WC/TiO218和WC/天然沸石纳米复合材料,19 以及WC/Fe3W3C 核壳结构复合材料20等. 以上方法虽然在一定程度提高了WC的催化活性, 但均未能制备出具有类铂催化活性的碳化钨基催化剂.
选择蒙脱石(MMT)为碳化钨的载体, 制备碳化钨与蒙脱石复合催化材料, 并研究其性能, 是因为MMT具有2:1 型层状结构, 是一种天然的硅酸盐层状结构材料, 具有表面电负性强、比表面积大、吸附性强及阳离子交换性能好等特点;21 研究还表明, 将Pt2+引入到MMT的层间, 再利用NaBH4还原可得到Pt-MMT催化剂, 它对对硝基苯酚具有很好的催化活性与稳定性;22 将Ru、23 Au、24 CdTe25和Fe26等多种纳米微粒负载在MMT上, 不仅体现出良好的分散性, 还具有很好的催化性能. 这是由于MMT的纳米片层表面带有永久性负电荷, 电荷的相斥作用导致复合催化剂具有很好的分散性; Aihara 等27进一步认为, 为了降低表面能, 纳米颗粒吸附于MMT的片层上, 致使MMT片层对纳米颗粒具有很好的分散作用; Kawabata 等28 也认为MMT作为催化剂的载体, 对纳米微粒具有很好的分散与稳定作用, 并可保持复合催化剂的稳定性. 因此, 将具有类铂催化活性的碳化钨负载于MMT纳米片层之上必可得到性能良好的催化剂.
基于上述因素, 本文以蒙脱石为载体, 采用离子交换法将W6+引入到MMT表面及层间, 再利用原位还原碳化技术获得了碳化钨与蒙脱石纳米复合材料, 研究了其对甲醇的电催化性能, 报道了具有类铂电催化活性的碳化钨基催化材料, 揭示了复合材料的电催化性能与其物相组成和微结构之间的关系, 为制备具有类铂催化活性的碳化钨基电催化材料探索了一条新的途径.
2.1 前驱体制备
三氧化钨(WO3) 与蒙脱石复合前驱体(WO3/MMT)的制备分为两步完成: (1) MMT 剥离; (2)WO3/MMT制备.
(1) MMT剥离: 将一定量的MMT加入到浓度为8 mol∙L-1的LiCl 溶液中, 搅拌和超声分散10 min后转入水热反应釜中, 在140 °C下水热反应24 h, 过滤后再用50%的乙醇溶水液洗涤滤饼, 经离心和干燥后获得剥离MMT (E-MMT).
(2) WO3/MMT 制备: 分别称取1.836 g WCl6 和1.000 g E-MMT, 先将WCl6溶于50 mL无水乙醇中,再将E-MMT加入上述溶液中, 超声分散10 min, 将体系置于30 °C的水浴中恒温搅拌24 h, 然后静置、过滤、洗涤、干燥和研磨后获得WO3/MMT前驱体.
2.2 样品制备
将适量的WO3/MMT前驱体装于石英舟内并置于管式电炉中, 通氮气(N2) 30 min 后, 改通CH4和H2混合气体(CH4:H2的体积比为1:4), 同时将管式炉的温度升高至400 °C保持30 min, 再升高至800 °C保温一段时间, 然后在N2保护下冷却至室温, 即获得碳化钨与MMT纳米复合材料.
2.3 样品表征
采用荷兰的PANalytical 公司生产的X'PertPRO型X射线衍射(XRD)仪对样品的结构及物相组成进行表征. 实验采用Cu Kα靶, λ=0.154056 nm, 管电流40 mA, 管电压45 kV, 步长0.04°, 2θ的扫描速率为2.4 (°)∙min-1, 扫描范围为5°-80°; 采用配备有X射线能量散射谱(EDS)仪的HitachiS-4700Ⅱ型场发射扫描电镜来观察样品的表面形貌; 采用荷兰Philips-FEI 公司的300 kV 高分辨透射电子显微镜(TecnaiG2 F30 S-Twin)对样品的形貌特征和显微结构进行表征.
2.4 电催化性能测试
样品的电催化性能测试采用CHI620B 型电化学工作站(上海辰华仪器公司), 测试在298 K下采用循环伏安法和三电极体系进行. 其中, 工作电极为粉末微电极, 辅助电极为1 cm×1 cm 的99.99% Pt片, 参比电极为饱和甘汞电极(SCE), 工作电极与辅助电极之间用多孔陶瓷隔膜隔开.
样品电催化性能对比用碳载铂(Pt/C)电催化材料从浙江省冶金研究院有限公司购买, 其铂含量为5% (w), 标记为Pt/C(5%).
3.1 XRD分析
EMMT与WO3/MMT 在2θ小于10°的范围内均具有较强的衍射峰, 可归属于MMT(001)晶面的特征峰(PDF: 13-0259). 与E-MMT相比, WO3/MMT中(001)晶面的2θ值向左偏移,这说明负载WO3 后MMT 的(001)晶面间距扩大了. 这可能与WO3/MMT制备过程中少量钨离子插入蒙脱石层间有关. WO3/MMT经还原碳化后, 样品的物相组成主要是WC (PDF: 51- 0939)、W2C(PDF: 35- 0776) 和MM. 比较上述四个样品的XRD 衍射结果可发现, 随着还原碳化时间的增加,MMT(001)晶面的衍射峰逐渐减弱, 当还原碳化时间超过5 h, MMT(001) 晶面的衍射峰基本消失,MMT的其他衍射峰也逐渐减弱. 这说明随着还原碳化时间的增加, MMT片层结构的有序度降低, 甚至被破坏或向非晶态转变.
当还原碳化时间为3 和4 h 时, WC的各主要晶面(001)、(100)和(101), 以及W2C的(101)晶面的衍射峰较弱. 这说明此时WC及W2C的结晶度不高; 当还原碳化时间增加到5 h 后,样品的物相主要是WC, 且其衍射峰明显增强; 当还原碳化时间增加到6 h 时, WC 的衍射峰变弱, 而W2C的衍射峰增强. 上述结果表明, WC的结晶程度随着还原碳化时间的增加由弱到强, 再由强到弱,而W2C 的结晶程度由强到弱, 再由弱到强, 即两者的结晶程度呈互补关系. 这反映还原碳化过程中WC与W2C 是一种动态平衡关系, 即W2C→WC⇌W2C.为进一步验证上述关系, 基于XRD 分析结果,应用X'PertPRO 型X射线衍射仪自带的专业软件对样品中WC和W2C 的质量分数及其晶粒度进行了计算. 表中WC和W2C的晶粒度分别对应各自最强衍射峰的晶面, 即分别为(100)和(101)晶面.当还原碳化时间为3 h时, 样品中WC和W2C的含量分别为39%和61%, 两者的比值为0.641, 即W2C的含量约为WC的1.5 倍;
当还原碳化时间为4 h 时, WC和W2C的含量分别为34%和66%, 两者的比值为0.515, 即W2C 的含量约为WC的2.0 倍. 这说明还原碳化3 和4 h 时,样品的物相以W2C为主. 当还原碳化时间为3 h 时, 两者的晶粒度有一定的差异; 当还原碳化时间为4 h 时, 两者的晶粒度基本一致. 当还原碳化时间为5 h 时, 样品中WC与W2C的含量分别为82%和18%, 两者的比值明显变大, 由0.515(4 h)增大至4.556(5 h), 晶粒度变化不明显. 此时样品的物相以WC为主, 粒径没有明显变化. 当还原碳化时间为6 h 时, 样品中WC与W2C的含量分别为48%和52%, 两者的比值又变小, 由4.556(5 h)变小至0.923(6 h), 此时样品的物相以W2C 为主, 粒径略有增加. 这说明还原碳化时间由5 到6 h, 样品的物相由以WC为主, 转变为WC与W2C 的含量基本相当, 且W2C 的含量略高. 比较不同还原碳化时间样品的XRD分析结果可发现, 随着还原碳化时间的增加, WC与W2C之间可发生转变,先是部分W2C 转变成WC, 然后是部分WC转化为W2C, 且还原碳化5 和6 h 样品中WC和W2C的结晶度明显优于还原碳化3 和4 h 时样品中的WC 和W2C.
3.2 SEM分析
剥离前MMT片层状结构不明显, 剥离后片层状结构明显, 其长度达到了几微米, 厚度仅为十几纳米, 片层边缘呈现卷曲状. 这说明经剥离后, MMT形成了分散性良好的片层状结构, 其表面积明显增大. 这为后续氧化钨的吸附与分散, 即前驱体的制备奠定了良好的基础.
3.3 TEM及STEM
为了解E-MMT与碳化钨的晶粒大小, 选择还原碳化时间为5 h 的样品进行了高分辨透射电子显微镜(TEM)和扫描透射电镜(STEM)分析.
样品片层状结构明显, 片层厚度较薄, 结合SEM 结果, 片层状颗粒为E-MMT,黑色颗粒均匀地分散于E-MMT的表面.样品局部放大及晶格像. 黑色细小颗粒经放大后用Digital Micrograph 软件精确测量其晶面间距约为0.2455 nm. 这与WC(100) 的晶面间距0.2517 nm(PDF: 51-0939)接近.黑色颗粒经放大后,其晶面间距约为0.2489 与0.2506 nm, 均与WC(100)的晶面间距接近. 这说明照片中的黑色颗粒为WC.晶面间距实测值与标准卡片值的差异可能是由于晶面拍摄角度以及系统误差所致.灰黑色颗粒表面分布灰白色亮点. 由于碳化钨比蒙脱石具有更强的电子衍射,灰白色亮点是碳化钨颗粒, 灰黑色区域为E-MMT片层, 并采用X射线能谱仪对上述结论进行了验证. WC颗粒均匀分布于E-MMT片层的表面, 分散性较好, 团聚现象不明显, 颗粒大小大约在10 nm 左右. 这与XRD的计算结果吻合.
3.4 EDX分析
C、O、Mg、Al、W、Si 元素的谱峰. 其中, O、Mg、Al、Si 和Ca 为MMT中的元素所致, W 和C 谱峰的存在说明样品中存在碳化钨物相. 这与XRD 的分析结果相符. 这在一定程度上说明所制备的样品为WC/MMT复合材料.
3.5 电催化性能
样品在酸性甲醇溶液(0.1 mol ∙ L-1CH3OH+0.5 mol∙L-1 H2SO4)中的循环伏安曲线. 样品3 在0.5 mol∙L-1 H2SO4溶液中出现了一组对称的氧化还原峰, 其氧化和还原峰峰电位分别为0.531 和0.426 V; 在正扫过程中, 四个样品均在0.7 V左右出现第一个氧化峰; 在负扫过程中,四个样品均在0.508-0.535 V范围内出现第二个氧化峰. 样品3 在硫酸溶液中并未出现双氧化峰, 而是一个氧化峰和一个还原峰. 这说明上述双氧化峰是样品对甲醇的电催化氧化, 也充分说明WC/MMT系列样品对甲醇的电催化氧化性能与贵金属催化剂铂的特征相似.为便于对比.
在正扫描过程中, 样品1、2、3 和4 的峰电位分别为0.702、0.707、0.707 和0.696 V, 峰电流密度分别为8.05、6.09、16.40 和6.64μA∙cm-2. 即4 个样品的峰电位非常接近, 峰电流有明显的差异, 以样品3 的峰电流密度最大; 负扫描过程中, 样品1、2、3 和4 的峰电位分别为0.532、0.535、0.508 和0.515 V, 峰电流密度分别为5.42、4.24、10.20和3.95 μA∙cm-2. 即4 个样品的峰电位比较接近, 以样品3 的峰电位最负, 峰电流也有明显的差异, 以样品3 的峰电流密度最大. 由于氧化峰的峰电位越负,其电催化氧化活性越高. 因此可认为样品3 的电催化活性相对较好, 即还原碳化时间为5 h 所制备样品的电催化活性最好. 4 个样品的正扫峰电位与负扫描峰电位的比值存在一定的差异, 且样品4 的比值明显大于其它三个样品的比值.
正扫描时, 样品3 在硫酸溶液中的循环伏安曲线在电势为0.1 V左右均出现一个宽泛的氧化峰. 这应该是氢的脱附峰.3 氢脱附峰的形成是因为酸性溶液中含有大量的H+离子, 样品中MMT表面具有永久性负电荷, 这必然导致H+离子大量吸附于MMT表面, 随电位正移, H+离子从MMT表面脱附, 在循环伏安曲线上显示阳极电流和相应的电流峰.
甲醇在样品的电催化过程中能够出现双氧化峰是因为甲醇的电催化氧化总反应方程式:
2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O (1)
在酸性条件下, 其正极反应:
3O2+12e-+12H+→6H2O (2)
负极反应:
2CH3OH-12e-+2H2O→12H++2CO2 (3)
而在实际反应过程中, 甲醇的电催化氧化是分步进行的.30 即在电位正向扫描过程中, 甲醇发生电催化氧化, 但随着电流的正移, 催化剂表面产生的氧化物或溶液中硫酸根离子吸附抑制了甲醇的进一步吸附和氧化, 所以会产生第一个氧化峰; 当电位负向扫描时, 在正向扫描产生的氧化物被还原,且吸附的硫酸根离子也发生脱附, 此两个过程使得催化剂表面恢复活性, 所以甲醇可以进一步发生氧化, 从而形成第二个氧化峰. 这就是形成双氧化峰的根本原因.
不同钨与蒙脱石比的前驱体经5 h 还原碳化所制备的样品在酸性溶液(0.1 mol∙L-1 CH3OH+0.5 mol∙L-1 H2SO4)中循环伏安曲线. 从图7 中可看出, 所有样品在酸性甲醇溶液中均出现了双氧化峰, 一个是在正扫过程中, 且峰电位均在0.7 V左右,另一个在负扫过程中, 峰电位为0.5 V. 上述结果说明, 四个样品均对甲醇具有良好的电催化活性, 且其循环伏安曲线的双氧化峰特征与贵金属Pt 的电催化特征相类似.29 这充分说明碳化钨与蒙脱石纳米复合材料具有类Pt 的催化活性. 为了更好地对比样品的电催化活性.
正扫描过程中, 4 个样品的峰电位高低顺序为: 样品8>样品7>样品6>样品5. 由于氧化电位越低, 其电催化氧化活性越好, 越容易发生电催化氧化反应. 因此, 正扫描过程中, 样品5 的电催化活性最高. 正扫描过程中, 4 个样品的峰电流密度大小顺序为: 样品8>样品6>样品5>样品7. 其中, 样品8 的电流密度值明显大于其它样品的电流密度值; 样品7 的电流密度值明显小于其它样品的电流密度值. 负扫描过程中, 4 个样品的峰电位高低顺序为: 样品7>样品6>样品5>样品8, 样品8 的电催化活性最高. 4 个样品的峰电流密度大小顺序和特征与正扫一致. 从表3 中还可看出, 4 个样品的正扫峰电位与负扫峰电位的比值随着负载量的增大而减小, 即两个氧化峰的电位比值大小与负载量之间存在一定的相关性.
样品3 与碳载铂[Pt/C(5%)]在酸性甲醇溶液中的循环伏安曲线对比图.样品3 与Pt/C(5%)在酸性溶液中对甲醇的电催化均出现了双氧化峰. 为便于对比, 在相同的测试条件下, 与Pt/C(5%)的第一个和第二个氧化峰电位相比, 样品3 的第一个和第二个氧化峰电位明显负移. 由于氧化峰的峰电位越负, 其电催化氧化活性越高. 这说明碳化钨与蒙脱石构成复合材料后, 在高电流密度下其电催化活性高于Pt/C(5%), 即其电催化活性得到了明显的提升.
从表4 中还可看出, 与文献报道的WC与W2C复合材料31 和碳载铂(Pt/Vulcan XC-72R)电催化材料32的第一个和第二个氧化峰电位相比, 样品3 的第一个和第二个氧化峰电位明显负移; 与文献报道的碳载铂(Pt/Vulcan XC-72R)电催化材料32相比, 正扫时, 样品3 对甲醇电催化氧化第一个峰的峰电位明显正移, 第二个峰的峰电位相同. 这也从侧面说明将碳化钨复合于蒙脱石上之后, 其对甲醇的电催化活性得到显著的提高.
综合分析, 不同钨与蒙脱石比值的前驱体经5 h还原碳化所制备的样品中, 样品3, 即当前驱体的钨与蒙脱石比值为4 时, 样品在酸性溶液中对甲醇电催化氧化活性最好. 结合样品的XRD表征结果, 样品3 中的碳化钨物相组成为WC与W2C, 且WC与W2C 的比值达4.649, 即样品中以WC为主导, 而其它3 个样品的物相虽然也由WC与W2C组成, 但WC与W2C的比值均小于1, 即样品中碳化钨的物相以W2C为主. 这充分说明WC与W2C对甲醇的电催化氧化均具有一定的活性,31 但构成复合材料后两者的比例对样品的性能有较大影响, 即以WC为主的样品对甲醇的电催化性能好于以W2C 为主的样品的性能.
从TEM照片中可看出, 样品3 中碳化钨颗粒均匀地分布于MMT外表面, 并形成了较为完整的负载层; 虽然样品2 中碳化钨也较均匀地分布于MMT外表面, 但没有形成完整的负载层; 样品1 和4则是碳化钨颗粒均匀地分布于MMT 外表面, 在MMT外表面的碳化钨没有形成连续的层状结构.这充分说明样品的微结构特征对其电催化活性具有较大影响. 基于上述结果和分析可得出结论: 碳化钨与蒙脱石纳米复合材料对甲醇的电催化活性不仅与其物相组成和相对含量有关, 还与其微结构特征有关.
以六氯化钨为钨源, 以剥离后的蒙脱石片层为载体, 将化学浸渍法与原位还原碳化技术结合可制备出碳化钨与蒙脱石纳米复合材料; 复合材料中碳化钨由WC与W2C组成, 调节还原碳化时间可获得具有不同物相组成的复合材料, 即可控制WC 与W2C 的比值; 调节前驱体中的钨与蒙脱石比例, 可获得具有不同结构特征的碳化钨与蒙脱石的纳米复合材料; 当前驱体中钨与蒙脱石的比例适中时,碳化钨均匀地负载于蒙脱石片层的外表面, 形成良好的负载层; 当前驱体中钨与蒙脱石的比值过低或过高时, 碳化钨以微粒形式复合于蒙脱石片层的外表面. 其中, 当比值低时, 碳化钨纳米颗粒均匀地分散于蒙脱石的外表面, 晶粒的尺寸在10 nm左右, 当比值过高时, 碳化钨纳米颗粒在蒙脱石的表面分布不均匀, 颗粒明显增大(60-100 nm), 团聚明显.
碳化钨与蒙脱石纳米复合材料在酸性体系中对甲醇具有良好的电催化活性, 并具有类铂催化性能, 其电催化活性不仅与复合材料的物相组成有关, 还与复合材料的微结构特征有关. 当复合材料中碳化钨的物相由WC和W2C构成, 并以WC占绝对多数, 且两者在蒙脱石片层外表面形成均匀的负载层时, 复合材料对甲醇的电催化活性最好, 且类铂电催化性能最强.
上述充分说明, 蒙脱石片层是碳化钨良好的载体, 不仅可很好地分散碳化钨纳米颗粒, 也可构成负载层状结构, 两者复合后还可获得具有类铂催化性能的碳化钨基电催化材料. 这为制备具有类铂电催化性能的碳化钨基催化材料奠定了坚实的基础,为碳化钨基催化材料的制备与应用研究, 尤其是碳化钨替代铂等贵金属催化剂指明了方向.
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复合材料及结构的破坏常常对人们的生命和财产造成巨大的损失,强度问题就成为考察复合材料力学性能的一个核心问题。由于复合材料是一种多相材料,它的宏观性能与其细观组分材料性能密切相关,其中强度性能也不例外。为了充分发挥复合材料的力学潜能,人们不断深入认识复合材料细观结构,从细观力学的角度出发预报复合材料的强度成为当前研究的热点之一。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:浅谈基于有限元的复合材料强度设计方法相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:复合材料作为一种新兴材料在各个领域得到了广泛的应用,但由于其自身特殊的材料性能特点,对其进行有限元分析时与传统金属材料有较大不同,从材料特性、网格划分、算法选择和结果处理等方面对复合材料的有限元分析方法进行了介绍。
【关键词】: 复合材料 有限元分析 材料特性 强度
复合材料是由两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料,各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料与金属材料在组织结构方面具有较大的差异,因此在对复合材料构件进行有限元分析时需充分考虑这一特性,在材料特性、网格划分、算法选择和结果处理等方面针对复合材料的特点选择合理的分析方法。
复合材料的材料特性与金属材料相比主要有两点区别:一是受加强纤维方向影响形成了各向异性的材料性能特性;二是由于复合材料分层铺敷形成了不同层之间材料特性在量值和方向上的不同。目前在国际通用的有限元分析软件中基本都设置了专门的复合材料单元,对复合材料单元的实常数进行设置,分层注明加强纤维方向和材料性能指标,便可有效的模拟复合材料的真实材料性能。
目前复合材料较多用于板类结构,通过分层铺敷形成一定的材料厚度,其加强纤维在型面内分布,这就造成了复合材料的刚度在型面法向上较其他方向小很多,因此在网格划分方面一般取其型面中面创建壳单元,载荷在型面法向施加,以较好的模拟复合材料的特殊刚度特点。
复合材料由于刚度、材料方向性等特点,在有限元计算时需选择考虑材料几何非线性和材料非线性的算法。在有限元软件中可由求解器设置开启非线性功能,通过边界条件的优化设置,逐步实现有限元求解的迭代收敛。虽然这会使求解规模相对变大,但会大大提高计算精度,真实模拟复合材料在受载时的动态响应。
在复合材料的有限元计算结果分析方面,目前尚无统一的标准。综合来看,强度校核主要考虑屈服—破坏准则、最大应变准则及结构稳定性准则。在对复合材料构件进行有限元计算和分析时尽量综合考虑上述准则,以提高构件强度设计的可靠性。
通过上述分析,可以看出复合材料构件的有限元分析与传统金属材料相比有许多区别,在进行复合材料构件的结构强度设计时应充分考虑复合材料的特点,做到有的放矢,提高设计质量。
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复合材料是指有连续的基体与分散的增强材料组合的多相材料,其中呈连续分布的相称结合相,而间断分布的相称增强相。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:铝水反应的新型制氢复合材料探究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:研究了铝基复合材料在铝水反应过程中的制氢性能,所用的铝基复合材料由高能机械球磨法制备。发现在Al-Bi-Na Cl体系中添加少量的碱金属(锂、钠、钾)或氢化物(Li Al H4、Li BH4)后,材料在室温下纯水中的放氢量和放氢速率都有了很大提高,通过调整掺杂物的种类和添加量,得到性能相对最佳的铝基复合材料拥有高达2 016 m L/(min·g)的初始放氢速率,并且能在1 min内放出几乎全部的理论产氢量。
【关键词】: 制氢 铝基材料 球磨 铝水反应
随着化石燃料的不断消耗和对环境威胁的加剧,洁净无污染的氢能利用技术以令人惊奇的速度快速发展。直接压缩低温液氢法储氢能力较强,但储存和运输过程中的液氢气化、泄露等问题严重制约了其在民用领域的推广。其他常用的储氢方法如金属氢化物储氢、碳纳米管储氢、金属有机化合物储氢等依然存在循环稳定性和热力学性能差等缺陷,无法满足现实需求。而近年来受到关注的硼氢化钠水解制氢虽然有着储氢量高、产氢纯度高等优点,但是其价格昂贵、催化剂易中毒等缺陷却阻碍了其进一步的推广应用。与其他制氢手段相比较,金属水解制氢具有能量密度大,单位质量体积小,易保存易运输等优点,是一种很有潜力的制氢方式。
其中,金属铝原料资源丰富,价格低廉,有利于大量生产和推广。铝与水反应置换出氢气,水解过程安全稳定,氢气纯度高,无有毒气体产生,清洁无污染,同时具有很高的理论产氢量(1 245 mL/g)。虽然铝水反应在热力学意义上能够自发进行,但是新鲜的铝表面会迅速生成一层致密的氧化膜,阻止水解反应的进一步进行。所以如何破除这层氧化膜,是铝基水解制氢材料在室温下应用的关键问题。向反应系统中加入碱是一个促进反应进行的简单而有效的办法,而碱溶液的运用将对装置设备和使用人员造成潜在的危害,需要进一步的工作来改善这个问题。Soler等人报道了一种使用铝在海水中悬浮铝酸钠溶液的制氢系统。结果表明,当使用NaAlO2和Na2SnO3代替NaOH在铝水反应中的催化作用时,在同样的pH 条件下,使用Na2SnO3代替NaOH 能提高氢气的产生速率。
Dai等人将NaOH 和Na2SnO3的组合使用,有效提高了铝水反应系统的产氢速率,显著减少了NaOH 溶液的浓度,兼顾了铝水反应的动力学性能和碱腐蚀问题。另一方面,为彻底摆脱碱性溶液对系统装置的负面影响,最好的办法是使用中性的溶液或是单纯的水来直接与铝进行反应。范美强等人采用熔炼和球磨的方法向纯铝中掺杂了多种低熔点金属来提高铝基制氢材料活性。其中,使用30∶1 的球料比和5 h 球磨时间制备的Al-10%Bi-5%NaCl (质量分数) 样品,在20 min 内转化率可达到85.4%。本文在前期工作基础之上,通过改进球磨参数,细化成分比例,得到了性能更好的铝- 铋- 氯化钠复合材料。同时在此基础上,通过添加少量碱金属或氢化物得到了具有更高的能量密度和放氢速率的复合材料,适用于实时供氢等方面的应用。另外,测试了铝- 铋- 氯化钠- 碱金属复合材料水解反应的量热曲线,为以后工业化的系统设计提供参考。
1.1 样品制备
实验所用金属粉(Al、Bi 等),99.99%,天津兰德试剂有限公司生产;氯盐(氯化钠等),分析纯,沈阳试剂厂生产;碱金属(锂、钠、钾),99%,沈阳试剂厂生产;氢化物(LiAlH4、LiBH4等)98%,Alfa Aesar Company 生产;本论文中所有的水解制氢材料,均采用高能量机械球磨的方法制备。该方法是将原料按设计的组成配置混合后,在高纯氩气保护下,通过一定时间的球磨过程制备得到实验所需的复合材料。球磨制备均在QM-1SP-2CL型行星式球磨机(南京大学仪器厂制造)上进行。球磨用50 mL 的CrNi18Ti9真空密封不锈钢罐,磨球的材质与球磨罐相同,直径约1 cm。球磨机的主轴转速为450 r/min,磨球与原料的质量比为30∶1,球磨时间为12 h。
1.2 水解性能测试
称量0.07 g 的复合材料粉末加入到容量约为10 mL 的玻璃小瓶中,然后密封,7 mL 水由注射器加入。接触产生的氢气由导管引出,使用排水集气法收集在刻度精确到0.1 mL 的量筒中。复合材料水解上升氢气的体积为排出的水体积,产氢速率为单位时间内排出的水体积,氢气产量为单位质量的复合材料水解产生的氢气。
1.3 微量热测试
实验采用瑞典Thermometric AB 公司的3114/3236 TAMAir 型微量量热仪,热功率最小检测限为2.5 μW。将0.01 g 样品放入安培瓶置入量热仪中,待温度恒定后加入1 mL 的去离子水,得到铝水反应的微量热曲线。
2 .1 不同的铋和氯化钠含量对铝基复合材料性能影响
随着NaCl 含量的升高,样品的放氢量先增大后减小。这可能是因为NaCl 的加入减小了样品粒径,增加了颗粒表面的缺陷和新鲜表面。但是当Bi 的含量过小,Al-Bi 微型腐蚀电池便无法充分发挥作用,从而使放氢性能迅速下降。其中,成分比例(质量分数)为Al-8%Bi-7%NaCl(记为A#)的球磨样品拥有相对最佳的放氢性能。初始放氢速率达到了891 mL/(min·g),并且在3 min 之内放氢量便基本能达到理论容量。
2.2 不同添加量的氢化物对铝- 铋- 氯化钠复合材料性能影响
向85% Al-8% Bi-7% (质量分数)NaCl中添加不同含量LiAlH4和LiBH4后的铝基复合材料在室温下的水解放氢。随着掺杂量的升高,样品的初始放氢速率也随之升高。其中,成分比例(质量分数)为A#(Al-8%Bi-7%NaCl)-5%LiAlH4的球磨复合材料拥有相对最佳的放氢性能,初始放氢速率达到了2 016 mL/(min·g),并且在1 min 内放氢量便基本能达到全部理论容量。这可能是因为松散的氢化物的加入在球磨过程中促进了铝颗粒的分散,进一步增大了样品的缺陷和新鲜表面。另外在水解过程中,由于氢化物在与水反应时放出的热量提高了初始局部温度,从而使铝水反应的启动过程更加迅速。
2.3 不同种类的碱金属对铝- 铋- 氯化钠复合材料性能影响
向85% Al-8% Bi-7%(质量分数)NaCl 中添加1% (质量分数)的碱金属后的铝基复合材料在室温下的水解放氢曲线。在加入了少量的碱金属之后,样品的初始放氢速率有了很大提高。其中,成分比例(质量分数)为A#(Al-8%Bi-7%NaCl)-1%Na 的球磨复合材料拥有相对最佳的放氢性能,初始放氢速率达到了1 985 mL/(min·g),在1 min 内便基本能放出全部理论容量。这可能是因为碱金属在与水接触时发生剧烈的水解反应,放出大量的热量,加快了样品的水解速度。同时,碱金属的水解产物在铝与水的反应过程中能够起到催化剂的作用,也促进了水解反应的进行。
85%Al-8%Bi-7%(质量分数)NaCl 加入1%碱金属球磨样品水解放氢过程的量热曲线。从中可以看到,随着水解反应的进行,有大量的热量发出,放出热量的大小随着反应放氢性能的提高而增大。加入碱金属的样品水解放热峰更加尖锐,以更快的速度放出了大量热量。这也证明了碱金属的加入能够有效提高样品的初始放氢速率。
85%Al-8%Bi-7%NaCl 和加入1%(质量分数) 碱金属后球磨样品水解放氢过程的反应热值。85%Al-8%Bi-7%(质量分数)NaCl 球磨复合材料在水解反应过程中可放出约8.6 kJ/g 的热量,在加入1%(质量分数)的碱金属后,放出热量上升了约20%。铝水反应所产生的大量热量一方面提升了其自身的反应速度,另一方面也对系统的安全和稳定性提出了挑战。因此,在实际应用中应为反应容器设计循环冷却系统,或者设法将反应所放出的热量利用起来,进一步提高铝水反应能量的利用率。
为了破除铝表面致密的氧化膜使之能在常温下与水反应,同时降低碱溶液对设备及使用人员的潜在危害,在前人工作的基础上,实验制备了高活性的铝基球磨复合材料,在室温下便能与水发生快速反应。其中成分比例(质量分数) 为A#(Al-8%Bi-7%NaCl) -5%LiAlH4的球磨复合材料拥有的初始放氢速率达到了2 016 mL/(min·g),在1 min 内便基本放出了其全部理论容量。性能优异的复合材料为接下来的实际应用打下了坚实基础。另外,实验还测试了铝- 铋- 氯化钠和加入少量碱金属后的复合材料水解反应量热曲线,计算了铝水反应所放出的热量,为以后实际系统设计的安全性和稳定性提供参考。
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复合材料最有利于提高构件的结构效率。但是,复合材料的压缩性能与拉伸性能不一致,因此,复合材料构件的刚度限定于材料的弯曲模量;在设计低应变构件时,弯曲模量取值和拉伸模量近似相同,在设计高应变构件时,则应采用相应的模量,如拉伸、压缩和剪切模量,对材料结构效率的评估也应取相应的模量计算。 以下是读文网小编今天为大家精心准备的:浅析复合材料构件的结构设计相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料,具有重量轻、强度高、加工成型方便等优点,在航空航天、汽车等对重量敏感的行业具有广阔的发展前景。但复合材料的材料性能对加工工艺很敏感,并受加强纤维方向影响形成各向异性的材料性能特性。这就给复合材料构件的设计带来了挑战,不能照搬传统金属材料的设计方法和理念。下面就复合材料构件的结构设计,按照设计流程,从结构方案设计,结构强度设计,材料成型工艺和试验验证等方面进行分析。
复合材料构件的结构方案设计与金属材料有较大不同,复合材料构件的结构应尽量圆滑过渡,避免翻边等型面曲率剧烈变化的结构。由于复合材料的连接主要采用胶结的方式,因此在零组件设计方面,应尽量减少零件数,推荐采用一次成型的加工方案。在关重部位的连接方式上尽量采用预埋金属连接件的方案。
随着有限元设计等先进结构强度设计方式的发展,现代构件的设计从验证设计开始向预测设计转变,传统金属材料的结构强度设计已经趋于成熟,从材料性能、计算流程、校核标准等方面均有章可循,但复合材料构件的结构强度设计目前仍存在一些问题。现阶段可以说基本解决了计算流程的问题,材料性能方面也随着性能实验和计算软件平台的开发逐渐解决,但在校核标准方面尚未形成统一的国家或行业标准和共识。因此在强度设计时需从结构静强度、刚度、动态特性和结构稳定性方面全方位考虑,并选取较大的安全系数来提高结构可靠性。
由于复合材料成型过程既是结构形成阶段,又是材料性能形成的阶段,因此复合材料构件对材料成型工艺提出了较高的要求,既要满足结构方案中复杂结构一次成型的需求,又要满足强度设计对材料性能指标的规定,同时对材料成型工艺的稳定性要求也比较苛刻。在此阶段,如材料成型工艺攻关不成功,则需降低要求重新进行构件的结构方案和强度设计工作。为减少设计风险,可在初始设计阶段参考成熟成型工艺进行设计,当然带来的损失就是构件重量的增加和构件指标的降低,因此应综合考虑各方面因素,确定最优化的可行性方案。
鉴于复合材料组织均匀性差以及分层铺敷的结构特点,对复合材料构件进行试验验证时应重点关注疲劳性能、破损容限等特性,并对材料耐高温、腐蚀性能进行充分验证。
通过上述分析,可以看出复合材料构件的设计相对难度较大,但由于复合材料自身的优越性及行业设计能力的提升,必将得到更广泛的应用。
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随着科学技术的不断发展,功能俱全的高层建筑越来越多。高层建筑结构设计也越来越成为建筑结构工程师的重要工作内容。下面是读文网小编为大家整理的高层建筑结构设计论文,供大家参考。
1试验概况
1.1试验构件设计和制作
边节点试验构件取用承重框架梁柱反弯点之间的一个平面组合体,即“T字形”试件。为有效保证试件的浇筑质量和垂直度,并与工程实际相符,全部试件均采用钢模板、立模浇筑。边节点构件柱子的截面尺寸为200mm×200mm,梁的截面尺寸为150mm×250mm,纵向受力钢筋采用HRB400级,箍筋采用HPB235级。柱子的配筋率为1.13%,梁的配筋率为0.9%,所有构件配筋率和钢筋的强度相同。为防止柱头破坏,柱上、下两端箍筋加密;节点核心区按照抗震要求对箍筋进行了加密处理。本次试验共包括7根试件,详细的试验构件概况如表1所示,构件的尺寸和配筋图示,节点核心区采用柱混凝土的构件,施工缝留设在梁下部;节点核心区采用梁混凝土的构件,分别在梁上和梁下留设两道施工缝,施工缝处浇筑时间间隔为2天(48小时)。
1.2试验方法和加载装置
采用低周反复试验方法进行研究,加载制度为力—位移混合控制加载,在开始加载到构件屈服前采用力控制;构件屈服后,改用屈服位移的整数倍为级差作为回载控制点,每一位移下循环3次。在实际框架结构中,当作用水平荷载时,上柱反弯点可视为水平可移动铰,相应的下柱反弯点可视为固定铰;而节点两侧梁的反弯点可视为水平可移动铰。这样可以有两种加载方案:一种是在柱端施加水平荷载或位移,这时梁能够左右移动而上下受到约束,产生剪力和弯矩。这种边界条件比较符合实际结构中的受力状态;另一种是将柱保持垂直状态,在梁的自由端施加反复荷载或位移,此时边界条件变为上下柱反弯点为不动铰,梁反弯点为自由端。本次试验采用的是柱端加载的方式,即采用在柱顶施加轴向力和水平力的方式进行试本次试验在东北电力大学结构试验室进行,采用美国MTS公司生产的MTS液压式伺服加载系统进行试验,采用MTS动态数据采集系统进行数据采集。试验自行设计了加载装置,竖向加载装置由反力架和1000kN数控电动液压伺服作动器组成,水平加载装置由反力墙和500kN数控电动液压伺服作动器组成。试件垂直安放,为了保证柱的上、下两端为理想的球铰,在柱端设置了带有滚动轴的垫板,垫板上部为可转动的油压千斤顶,柱下端为固定铰支座;梁端由刚性连杆与地面铰支座相连,保证梁端可以水平移动但是不能垂直移动。试验加载装置示意图如图2所示。
2边节点试验结果与分析
2.1破坏现象
边节点构件BZ1为节点核心区采用梁中混凝土强度的构件,构件破坏图片如图3所示。构件初始裂缝出现在梁端第一箍筋处,正向开裂荷载为10kN;反向开裂荷载为20kN;裂缝扩展速度较快,裂缝区域主要集中在梁的端部范围内,节点核心区只有少量细小的裂缝出现,没有明显破坏。构件最后在梁端形成塑性铰,塑性铰发展充分构件BZ1的柱子和梁的实际配合比相差2个强度等级,说明当梁柱强度等级相差较小时,节点能够满足抗震设计要求。当延伸长度为0.5h时,出现裂缝的范围较小;当延伸长度为1.5h时,出现裂缝的范围较大;延伸长度为h时,裂缝的范围居两者之间;同时,只有延伸长度为0.5h时,在梁的根部出现了破坏裂缝。从开裂荷载上看,延伸长度为1.5h的构件开裂荷载最大,说明延伸长度对梁的开裂荷载有一定的影响。节点核心区均未产生明显的破坏,这是由于所有构件均采用了“强节点,弱构件”的设计原则,节点核心区的箍筋做了加密,采用了柱子的混凝土强度浇筑节点核心区;与梁和柱子相比较,节点具有更好的抵抗低周反复荷载的能力。
2.2骨架曲线和滞回曲线不同轴压比和不同延伸长度下,边节点核心区采用柱子混凝土强度的构件骨架曲线对比。轴压比越大,滞回曲线的刚度也越大。在0.3和0.5轴压比下,延伸长度对骨架曲线的形态、屈服荷载和最大荷载都没有显著影响,而延伸长度为0.5h的试件,下降段更陡峭一些。光滑;轴压比越大,滞回曲线的刚度也越大;从卸载曲线上看,主筋在节点存在一定量的滑移。其余边节点构件的滞回曲线,均呈较光滑的梭形。
2.3承载力和延性性能分析边节点构件的试验结果,延性系数取用最大位移(即构件的最大承载力对应的位移)与屈服位移的比值,屈服位移由图解法确定。从表2可以看出,在0.3轴压比下,延伸长度为1.5h时的延性性能最好,为3.26;延伸长度为h时的延性性能稍差,为3.11;延伸长度为0.5h时的延性性能最小,为2.53;延伸长度对屈服荷载和最大荷载没有显著影响。在0.5轴压比下,延伸长度为h时的构件延性性能最好,为2.73;为1.5h时的延性性能稍差,为2.41;为0.5h时的延性性能最小,为2.38。从试验结果可见,延伸长度为0.5h时,延性性能最差,随着延伸长度的增加,延性性能增大。延伸长度为1.5h时的试件最大荷载略高于其他构件,延伸长度对屈服荷载没有显著影响。从试验结果可以看出,当构件所承受的轴压比较低时,即使梁柱边节点核心区采用强度较低的梁中混凝土,其承载能力仍能满足要求,但是延性性能弱于节点核心区采用柱子混凝土强度的构件。
3结论
(1)从破坏现象上看,试验构件的破坏均为梁端的受弯破坏。当构件所承受的轴压比较低时,即使边节点核心区采用强度较低的梁中混凝土,其破坏形态仍为梁端受弯破坏,但是延性性能略有下降。
(2)从试验结果上看,柱子中高强混凝土在梁中的延伸长度为1.5h时的承载能力和开裂荷载最大,延伸长度对屈服荷载没有显著影响。
(3)从延性性能上看,在0.3轴压比下,延伸长度为1.5h时的延性最好,为h时的延性稍差,为0.5h时的延性最小。在0.5轴压比下,延伸长度为h时的构件延性最好,为1.5h时的延性稍差,为0.5h时的延性最小。从试验结果可见,延伸长度为0.5h时,延性性能最差,随着延伸长度的增加,延性性能增大。
结构优化设计的管理措施
以施工为主营的总承包商在海外D&B项目中,面临着诸多挑战,就本项目而言,主要面临的问题有:①由于项目的特殊性,业主方已经完成项目的结构方案设计,虽规避了部分设计风险,同时也失去了设计的主动权。不仅对结构优化设计产生一定的局限性,而且还需承担原设计存在的缺陷风险。②由于设计规范、法律、文化背景与国内情形有很大差别,仅仅依靠承包商自身技术力量难以完成设计任务。③采用设计分包,设计的核心技术往往由设计方控制,承包商多以被动接受,难以有效进行技术控制。④结构设计方案与现场施工脱节问题。⑤结构优化设计,涉及多部门、多专业工种,技术协调工作繁重。⑥项目合同工期压力大,5栋塔楼的合同工期为32个月。针对上述问题,制定了相应的控制思路和具体管理流程。
1控制思路
1)改变管理观念和意识在传统施工承包模式下,由业主方提供设计文件,承包商没有得到工程师相关变更指令,必须“按图设计与施工”,原则上不得对原设计进行任何改动。然而在D&B项目,承包商造价控制关键在设计阶段。因此,要从根本上改变传统施工总承包管理观念和意识,建立适应D&B项目总承包项目特点的新型设计、施工管理体系,充分发挥优化设计的核心作用和优势。2)优选设计公司,组建优化团队首先在结构技术设计阶段,采用设计分包,并优选国际知名的设计咨询公司,为城市之光项目提供高质量的方案和设计支持。其次为发挥优化设计的核心作用和优势,联合本地一家声誉好、结构优化设计经验丰富的工程咨询公司,对设计方提供结构设计方案,再进行优化设计。一方面弥补自身技术力量薄弱的特点,另一方面对设计方案进行技术监督与控制。3)树立优化设计与施工集成思想结构设计方案常常能满足建筑功能和结构安全可靠度的要求,然而往往设计人员施工经验不足,对施工流程和工艺不熟悉,致使设计与现场施工脱节,造成施工难度加大,成本支出增加。因此结构优化设计阶段,始终树立优化设计与施工集成思想。同时要求施工技术人员积极参与设计方案讨论,紧密结合建筑结构特点和所采取的施工措施,将技术、材料和施工工艺进行综合考虑,以达到降低施工难度和工程造价的目的。4)各个专业统筹兼顾,力争全局协调一致在工程设计过程中,涉及多部门、多专业工种,其中包括结构、建筑、电气、给排水、暖通、煤气等专业工种。由于各个专业各自独立设计,势必造成设计方案从局部看是合理的经济方案,但从全局看未必是合理优良的方案。因此结构优化设计时,不仅满足建筑功能及规范的要求,而且还需各个专业统筹兼顾,力争全局协调一致,达到最优方案。
2管理实践
根据上述的控制思路,并结合城市之光项目的特点,制定优化设计施工管理体系的流程,分阶段对设计方案进行优化,如图2所示。
结构优化设计技术措施
1技术设计阶段结构优化措施
为满足建筑功能的要求,结构设计往往不是唯一的,不同的结构方案会使工程造价和工程质量产生很大的差别,甚至决定项目建设的成败。因此在满足建筑功能和结构安全可靠的前提下,着重分析结构设计的先进性和经济性。通过对原结构设计方案的分析发现,原设计结构平面布置较为均匀,东西对称,竖向荷载传递合理。但是,首先对设计方提出结构优化设计的具体措施:①提高结构材料的利用率,尽量采用高强度的钢筋及混凝土;②对5栋塔楼筏板以及裙楼筏板重新验算与设计;③对于水平承载构件,尽量采用预应力混凝土无梁板;④选择正确的结构计算方法;⑤优化设计与施工集成思想。然后再根据设计方提供的结构设计方案,联合专业的结构公司通过最优的结构验算,再进行优化,实现设计方案的技术监督与控制,提高设计的质量。
提高材料的利用率。结构优化设计目的是提高结构设计的性价比,对结构材料的选用要合理,利用要充分。要根据结构构件的不同受力特点、工作环境和材料本身力学性能,选用合适的结构材料,对于高层建筑尤为重要。①采用高强度的钢筋,主要优点有减少钢筋用量,减小结构构件的尺寸,减轻结构自重。本项目采用强度级别为460N/mm2热轧带肋钢筋。②尽可能采用高强度的混凝土,充分利用混凝土的抗压性能,不仅减小构件的截面尺寸,增加使用空间,而且减轻自重提高设计质量。如5栋塔楼的竖向结构混凝土强度等级主要为C60,水平承载结构混凝土强度等级为C40。③对于高层结构的转换层和受力结构复杂的节点部位,采用型钢混凝土结构和预应力混凝土结构,利用材料的力学性能,组合使用,以达到适用、安全、经济的目的。如C10a塔楼的L16剪力墙采用型钢混凝土结构,将原来8道混凝土剪力墙减少到4道。
筏板基础。1)塔楼的筏板基础该项目5栋塔楼基础为筏板基础,原设计方案中C2,C3和C10,C11塔楼的筏板厚度为3m;C10a塔楼筏板厚度为3.5m,通过分析发现,可以减小筏板厚度和配筋率,并提出两种优化方案:①方案1保持筏板顶标高和厚度不变,减少5%的钢材用量;②方案2保持筏板顶标高不变,筏板厚度减小500mm,同时可以减少15%混凝土用量和5%的钢材用量。对两种方案进行比较,方案2的经济效益明显较好。但是,由于现场桩基础已经施工完成,即桩头标高已定。如果采用此方案,保持筏板顶标高不变,因桩顶标高低于筏板底500mm,难以实现。如果保持筏板底标高不变,B3地下室净空间增大500mm,一方面业主不认可,另一方面因净高的增加致使一系列的结构构件需要重新设计,如楼梯、坡道等,不经济。因而最终采用方案1,节约5%塔楼筏板基础钢筋用量。2)裙楼的筏板基础C10,C11裙楼浅筏板总面积约5945m2,C2,C3裙楼浅筏板总面积约4297m2,设计方提供的方案为:筏板的厚度均为500mm,其中桩帽区域钢筋为:T1&T2为Y16-150;B1&B2为Y25-150,非桩帽区域为,T1&T2为Y12-125;B1&B2为Y16-175。为此联合专业结构优化设计公司,计算分析发现原筏板设计过于保守。提出具体优化措施:①利用裙楼筏板钢筋取代桩帽上部钢筋;②裙楼筏板的厚度从500mm减至400mm;③合理减小钢筋配筋率,为双层双向Y12-150钢筋网片。如图3,4所示。
水平承载构件尽量采用预应力无梁板。采用预应力无梁混凝土板相对于普通混凝土梁板的最大优点在于节约钢材用量和降低施工难度。原设计方案中,5栋塔楼的楼板全部为普通混凝土板,裙楼楼板为普通混凝土板加局部预应力板,预应力板所占的比例较少。为此,优化具体措施为:①4000mm×4000mm×375mm柱帽构造措施,取消部分混凝土梁。②由于裙楼面积较大和预应力板的钢绞线张拉限制,设置多条后浇带;③将5栋塔楼核心筒外围的混凝土板全部设计为预应力板;④对于跨度较大的混凝土梁,设计成后张法预应力钢筋混凝土梁。如C10a塔楼○F3和○F5轴线之间的混凝土梁最大跨度达17.2m,采用后张法预应力混凝土梁,不仅降低施工难度,而且减少钢筋和混凝土用量。以C10,C11裙楼L6层为例,原设计预应力混凝土板的面积占该层总面积的25%,优化后预应力混凝土板的面积占该层总面积的79%,大大提高了预应力混凝土板的比例,如图5所示。
选择正确的结构计算。结构优化设计的过程就是对结构方案追求完美的过程。然而在结构优化设计过程中,设计方重视设计速度,以完成任务为前提,设计人员往往不注重工程造价,常常为了保险起见,加大安全系数,只要保证设计方案不出现大的质量问题,方案的好坏、造价的高低无关紧要。因此选择正确的结构计算尤为重要,为此联合专业结构优化设计公司,对结构设计方案进行技术监督与控制。例如对裙楼挡土墙及剪力墙,通过建立结构模型,重新分析验算,使结构达到最优化。C10,C10a,C11塔楼505m长地下室挡土墙,原设计方案共有5种类型,从地下3层至首层墙体厚度都为500mm,并设计不同类型的拉接钢筋,间距为Y12-125(max),如图6所示。为此,结合相关设计参数和地质勘探报告,根据不同深度的土壤对挡土墙水平侧压力不同和竖向承载力的变化,对挡土墙进行再验算。优化结果:①墙厚范围地下3层至地下2层为400mm,地下2层至地下1层为300mm,地下1层至首层为250mm。②根据美标ACI318-0514.3.6的规定,如果竖向钢筋的配筋率≤0.01,则可不设置水平方向拉筋。但考虑现场施工要求,设置Y10@450~500水平拉筋,便于竖向钢筋固定。③按结构设计总说明的要求,拉筋两端为180°弯钩,施工难度较大,为此优化拉筋样式为一端90°,一端180°。
优化设计与施工集成思想。在技术设计阶段,始终树立优化设计与施工集成思想。应紧密结合建筑结构特点和所采取的施工措施,将技术、材料、施工工艺和施工措施的优点集中体现在优化设计方案中,避免设计与施工脱节,造成施工成本增加,同时降低施工难度,保证了工期。以C2,C3塔楼台模水平运输为例进行说明。C2,C3塔楼楼板采用台模体系,由于结构形式为剪力墙加核心筒结构,如图7所示,剪力墙与核心筒相连,使得台模水平运输困难。如果利用塔式起重机周转台模,施工难度大且进度慢。为此根据结构特点和施工要求,采用预留施工洞口,即在剪力墙上预留4.0m×2.9m(宽×高)洞口,以方便台模水平周转运输。经与设计方协商,在保证结构安全前提下,通过优化设计,C2塔楼从L7至L32层,在每层轴线○RC/○RD/○RE预留6个洞口,C3塔楼从L7至L28层,在轴线○RK/○RL/○RM预留6个洞口;待结构施工完成,洞口将用砖墙砌筑。通过上述措施,一方面降低施工难度,显著提高施工进度,另一方面用砖墙代替混凝土,减少钢材和混凝土用量。由于篇幅有限,其他案例不再赘述。
2施工图设计阶段结构优化措施
施工图设计是根据已经批准的设计图纸进行的深化设计。施工图质量对现场的施工质量起到至关重要的影响。为此通过对结构的施工图纸进行优化设计,进一步对工程造价进行控制。主要采取的措施有:精细化设计,采用标准设计,控制局部小的变更在现场施工之前的措施。1)精细化设计结构的施工图纸越精细,现场施工越顺利,而且易于发现局部设计差异。为此,可以采取以下措施:①针对结构构件,如梁、板、柱、墙,精细到每根钢筋,标明钢筋尺寸及根数、长度、搭接位置及长度等,大大降低钢筋放样阶段浪费;②针对复杂结构,精细到每个节点,标明尺寸、高度等。③对于结构构件平面定位,不仅标明具体的尺寸,而且精确到每个坐标点。2)标准设计在施工图设计阶段采用标准设计可以降低工程造价,具体为:减少深化设计的工作量,提高设计的效率,大大缩短施工图设计周期;采用标准构件可以加快工程施工进度,减少材料浪费,标准设计有较强的通用性,可以大量重复使用,较为经济。如梁上洞口标准加钢筋节点,设备基础标准配筋节点,圈梁构造柱节点,剪力墙标准配筋节点等。3)尽量控制局部小变更在现场施工之前在施工图精细化过程中,对于局部设计差异,及时与设计方沟通,并通过变更节点直接用于现场施工;对于施工难度较大的节点,及时提出合理建议,调整局部设计,降低施工难度。将此类局部小变更控制在现场施工之前,避免现场返工,有利于对施工成本的控制。
结构优化设计经济效益
通过结构优化设计在本项目取得了很好的经济效益,节约大量的材料,降低劳动力的使用量,提高施工进度。仅与优化公司联合优化的部分,就节约了混凝土2.7万m3,钢筋约136t,合计减少材料成本1680万迪拉姆。
结语
通过在本高层项目设计阶段的结构优化设计,总结了在D&B总承包合同模式下结构优化设计控制思路与管理实践,并结合措施与案例分析。实践证明,传统施工承包商在D&B项目中采用结构优化设计,有效控制工程造价,并取得良好的经济效益。同时也给同类D&B项目,提供结构优化设计借鉴。但是在D&B总承包合同下,对优化设计也面临一些认识不足的问题:①设计方重视设计速度,以完成任务为前提,通常提供单一化的方案,可比性不强;②所有的优化方案必须经原设计方的认同并作修改,再次审批和施工图评审,导致设计周期延长,甚至影响现场施工进度;③对设计方案存在的缺陷,缺乏量的界定、责任的划分和可供操作的处罚条款,是不负经济责任的设计对造价控制缺乏基本的原动力,还有待在实践中不断加以完善和提升。
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