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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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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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复合土工膜是用土工织物与土工膜复合而成的不透水材料,它主要用于防渗,广泛应用于渠道防渗工程。近年来,土工合成材料在土木工程,尤其是在防洪抢险工程中的大量应用及其成效,引起了广大工程技术人员的高度重视。对于土工合成材料的应用技术,国家从防渗、反滤、排水、加筋、防护等方面,提出了规范性技术要求,大大加快了新材料的推广应用步伐。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:浅谈复合土工膜在哈日朝鲁水库除险加固中的应用相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
复合土工膜是水库大坝工程中一种新型防渗建筑材料,其具有质量轻、性价比较高、施工便捷、抗老化性强、耐久性好等优点,近二十年来在我国水利工程中得到广泛应用,并取得较好的防渗加固效果和社会经济效益。
哈日朝鲁水库在内蒙古自治区赤峰市阿鲁科尔沁旗扎嘎斯台镇境内,坝址位于乌力吉木伦河左侧的一级支流黑木伦河下游,距旗政府天山镇约70km。
哈日朝鲁水库是一座以灌溉为主,兼顾生态、养殖、旅游等综合利用的中型水库。该水库工程等别为Ⅲ等,主要建筑物级别为3 级,次要建筑物级别为4 级。蓄水工程正常运用洪水重现期20 年;非常运用洪水重现期100 年,地震设防烈度为Ⅵ度。
由于当地的气候条件及牲畜的踩踏,坝体风蚀、浪淘严重,受当时建设环境及客观条件限制,坝前库底没有铺盖防渗,施工中未对水库坝基进行防渗处理,坝体夯填不密实,坝后也未做排水体,防渗效果较差,本次除险加固设计为清除剩余坝体,在原址重建水库大坝、新修迎水面坝坡、背水面坝坡以及排水体。即本次除险加固设计水库大坝为细砂均质坝,采用设计坝顶高程荦305.60m,并保持原坝轴线不变,坝顶轴线长为1650m,最大坝高8.6m,坝顶宽为6.0m,迎水面边坡为1:3.0,采用15cm 厚现浇砼的护坡形式,下铺设15cm 厚砂砾垫层,下再铺设500g/m2 复合土工膜(两布一膜);下游边坡为1:3,采用30cm 碎石护坡形式;上游坝脚采用70cm×100cm 的浆砌石护脚。
大坝筑坝土料岩性为细砂,天然含水量12.3%,比重2.65,干密度1.63g/cm3,渗透系数5.3×10-3cm/s,坝体呈中密-密实状态,属中等透水,坝体存在渗漏。除险加固防渗设计方案如下。
第一方案:坝坡上游采用斜墙土工膜(500g/m2 两布一膜),下游设贴坡排水。
第二方案:坝坡上游采用斜墙土工膜(500g/m2 两布一膜),坝基布置成垂直铺设复合土工膜(700g/m2 两布一膜),拟设计垂直防渗插入透水层深度为8m,下游设贴坡排水。
第三方案:坝坡上游采用斜墙土工膜(500g/m2 两布一膜),坝基采用0.6m 厚的水泥搅拌桩,拟设计垂直防渗插入透水层深度为8m,下游设贴坡排水。
技术上比较,目前土工膜广泛用于防渗工程,不但用于坝体防渗,而且坝基用此做防渗效果也比较好,从理论到实践都是可行的。经济上,土工膜工程造价相对较低,第三方案比第二方案在经济上可节约投资120 万元,所以本次设计不采取第三方案。
第一方案没有垂直防渗,渗透稳定计算出最大出逸比降0.375>0.35(允许水力比降),渗透出口段不稳定。所以本次设计不采取第一方案。
根据渗流稳定计算结果,本次防渗设计选择第二方案。即坝坡上游采用斜墙土工膜(500g/m2 两布一膜),坝基布置成垂直铺设复合土工膜(700g/m2 两布一膜),拟设计垂直防渗插入透水层深度为8m,下游设贴坡排水。
本次设计复合土工膜的选择,按《土工合成材料应用技术规范》GB50290-98 的规定,本工程主坝坝体防渗,上游坝坡选用铺设500g/m2 二布一膜的复合土工膜(膜厚0.35mm),为保护土工膜设河沙垫层15cm,然后再进行坝坡现浇砼护坡。坝基采用700g/m2 二布一膜的复合土工膜防渗,膜厚0.5mm。在主坝迎水面坡脚处,用开槽机开槽、重泥浆护壁,防渗长度1652m,坝基防渗最大处理深度为8m。
3.1 渗透变形判别
根据地勘报告,坝体细砂的不均匀系数小于5,土的渗透变形类型为流土型,土的临界水力比降采用公式Jcr=(Gs-1)(1-n),经计算细砂的临界水力比降为1.01,安全系数取2.0,则细砂层允许水力比降值为0.51,根据当地工程经验,建议坝体细砂允许水力比降值为0.2,坝坡逸出点允许比降为0.35。中砂的不均匀系数小于5,土的渗透变形类型为流土型,土的临界水力比降采用公式Jcr=(Gs-1)(1-n),经计算中砂的临界水力比降为1.02,安全系数取2.0,则中砂层允许水力比降值为0.51,根据当地工程经验,建议坝基中砂允许水力比降值为0.13,逸出点允许比降为0.32。
本次坝体做防渗后计算得平均渗透比降为0.1,小于允许水力比降,说明坝体及坝基内部渗透稳定。坝坡最大出逸比降为0.262<0.35,坝基水平段最大出逸比降为0.197<0.32,说明坝体及坝基出口段渗透稳定。
3.2 抗滑稳定计算
本次设计坝体边坡稳定计算采用河海大学力学研究所开发的AUTOBANK V6.1 进行计算,计算原理采用有限元理论,模型为有部分截水墙的斜墙土坝有贴坡排水情况的计算。采用碾压式土石坝设计规范,分别考虑了稳定渗流期,施工期,水位降落期三种情况。采用瑞典圆弧法,计算方法采用简化毕肖普法,自动搜索最危险滑裂面,求得最小安全系数。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001),水库大坝属3 级,抗滑稳定安全系数正常运用条件k 允=1.3,非常运用条件Ⅰk 允=1.20,由成果知主坝上、下游各个工况的稳定安全系数均在允许范围内,坝体边坡稳定。
通过多方案经济、技术比较,结合本工程的坝体材料与施工条件等实际情况和类似工程的处理经验,设计选定采用复合土工膜处理土坝渗漏的除险加固方案。这对于中小型病险水库的除险加固,具有较大的经济效益和很好的推广使用价值。
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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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摘 要:对电厂主蒸汽管道外表面温度超标现象进行分析,提出改造技术方案及施工工艺要求,介绍复合硅酸盐保温材料在蒸汽管道节能改造中的成功应用。
关键词:汽管道 保温节 能环保 应用
一、改造前保温存在的问题电厂12MW 次高温次高压机组主蒸汽管道,原设计保温材料是硬质成型微孔硅酸钙,在运行中由于机组启、停时管道产生热位移,交变挤压;管道的轻微震动;长期高温使用等原因,造成硅酸钙碎裂粉化,形成很多裂缝,保温材料的热密封性能下降,蒸汽管道热能容易向外散发。同时保温材料塌陷出现空洞,特别是在水平管与垂直管段交接的弯头处出现脱节,保温效果很不理想,外表面温度平均55℃,局部温度高达150℃以上,散热损失较大。
按GB4272 - 92《设备及管道保温技术通则》,在设备或管道外表面采取保温措施后,其保温层外表面温度必须小于50℃的规定,外表面温度已经超标。因此,节能降耗工作成为需要解决的当务之急,同时管道的保温节能改造既是技术的需要,是企业管理的重要内容,也是节能降耗的重要途径,因此电厂于2005 年对1#、2# 机组主蒸汽管道进行了保温节能改造。
(一)保温材料性能对比成型微孔硅酸钙产品具有质地较硬、抗热震性、可塑性差,容易碎裂粉化、容重较高、材料规格种类多、材料管理工作量大等缺点。
复合硅酸盐纤维板和复合硅酸盐膏产品具有质地柔软、密度低、导热系数小、优良的热稳定性及抗热震性、优良的抗拉强度、无腐蚀无污染、施工简便可塑性强、使用寿命长,受热膨胀小,外包铁皮不会有拉裂、凹凸等优点,其保温效果特别好。
复合硅酸盐纤维板和复合硅酸盐膏保温材料在相同工艺条件下,其使用厚度为硬质成型微孔硅酸钙保温材料的五分之三,可使管道外保护层用量相应减少18%,散热损失相应减少20%。无论是一次性投资,还是每年的散热损失费用等方面,均以使用复合硅酸盐纤维板和复合硅酸盐膏保温材料为最经济,且具有良好的综合经济效益。
通过以上对比,主蒸汽管道的保温材料采用复合硅酸盐纤维板和复合硅酸盐膏保温材料。
(一)拆除从锅炉主蒸汽出口集箱至汽轮机高压缸范围内管道上的原保温结构,清除干净管道表面的灰尘和铁锈。
(二)使用复合硅酸盐膏保温材料直接在管道、阀门表面进行涂抹,形成厚度为20mm 的基础保温层。
(三)在主蒸汽管道基础保温层上用细铁丝捆扎3 层复合硅酸盐纤维板,每层厚度为25mm,将它错缝粘贴,并用复合硅酸盐膏保温材料涂抹保温层的缝隙,保证其保温的密封性能。在第1、2、3 层复合硅酸盐纤维板外用细铁丝网整体捆扎、勒紧,防止保温层滑动、错位。外使用复合硅酸盐膏保温材料进行厚度为20mm 的密封涂抹,形成厚度为95mm 的主保温层。
(四)在主蒸汽管道主保温层上,用细铁丝捆扎一层复合硅酸盐纤维板,厚度为25mm,将它错缝粘贴,并用复合硅酸盐膏保温材料涂抹保温层的缝隙,保证其保温的密封性能。在第4 层复合硅酸盐纤维板外用细铁丝网整体捆扎、勒紧,防止保温层滑动、错位。外使用复合硅酸盐膏保温材料进行厚度为10mm 的密封涂抹,形成厚度为35mm 的加强保温层。
(五) 主蒸汽管道保温层构成为基础保温层(20mm)、主保温层(95mm)和加强保温层(35mm), 总厚度为150mm。
( 六) 最外层金属保护层的材料用0.8mm 铝皮封包, 相邻搭接不小于40mm,并在适当的位置留出自由膨胀余量。安装时,应紧贴保温层,环向接缝、纵向接缝和水平接缝必须上搭下,成顺水方向。弯头铝皮的外弧段另外增加一条宽度为50mm 的铝皮纵向连接,使弯头铝皮的环向、纵向都能连接成牢固的整体,不会产生脱节现象。
(七)施工后的保温层,不得覆盖设备的铭牌、仪表等。设备的名称、介质流向标识、色标及时按原样恢复。
(一)改造前后监测点的外表面温度对比将弯头作为监测点, 对其改造前、后弯头监测点处的外表面温度测温。实施了保温节能改造后,外表面温度完全符合GB4272 - 92 规定的标准,原超温点已经消除,平均温度下降22℃,保温效果得到了明显的提高。
散热损失通常以热流密度q(W/m2)表示。散热损失与散热面积之乘积,就是该面积的散热量,所以散热面积内的散热损失表示了该区域的保温状况,该项指标是检验热力设备保温效果的主要指标1. 改造前散热损失:主蒸汽温度为550℃,平均外表面温度为T w 前= 55℃,按同一环境温度25℃计算:α 改造前为10.92W/(m2.k);q 改造前为327.6W/m2。
可看出,改造前的散热损失已经超过标准值。
平均外表面温度为T w 后= 33℃,按同一环境温度25℃计算:α 改造后为9.82W/(m2.k);q 改造后为78.56W/m2。
可以看出,改造后的散热损失比标准值降低。
单位换热量的对比分析计算, 其中主蒸汽管道保温后外表面换热面积A=900m2。
降低散热损失Δq = q 改造前-q改造后= 249.04W/m2, 降低率q % =76%,减少热流量损失ΔΦ =A Δq =224136 W。
改造后1h 内减少散热量,即节能Q=ΔΦ×h = 806889.6kJ, 以机组年运行6000h,锅炉热效率η = 90%计算,运行1 年即可节约标准煤量B b =QbQη×h= 183540kg,燃煤单价按1000 元/t 计算,每年节约资金:183.54×1000 = 183540 元,取得了显著的经济效益。
(一)通过对1#、2# 机组主蒸汽管道进行保温节能改造后,平均外表面温度由55℃下降至33℃,其能源利用率、环保性能都有较大的提高,减少了机组的散热损失及对环境的热污染。
( 二) 运行1 年即可节约标准煤量184t,节约燃煤资金约18 万元,同时减少烟气及硫化物的排放,取得了良好的经济效益和社会效益,复合硅酸盐保温材料值得在其他热力管道保温节能环保改造中推广使用。
[1] 水利电力部电力规划设计院,火力发电厂热力设备和管道保温油漆设计技术规定,(SDGJ59-84)1984
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通过大量的配制试验,考察了各种组分的复合效果,从而最终找到了合适的复合剂配方。所找到的复合剂配方中阴离子型表面活性剂的比例占绝大多数,而非离子型表面活性剂仅占8%左右,这就使所配制的复合柴油成本大大降低。
①配制复合剂的小样。向锥形瓶中加人5lg有机酸,再加人8.5g碱溶液,振荡15 min,待反应完毕后,加人6g复合剂II ,3g助剂,盖上塞子,然后采用手摇振荡的方法使锥形瓶内各种物质完全混合均匀。在室温下静置,待泡沫消失,即得到复合剂。
②配制该复合剂的扩大样。向锥形瓶中依次加人510g有机酸,85g碱溶液及60g复合剂II , 30g助剂,然后按上述方法配制,得到复合剂的扩大样。将锥形瓶内的复合剂静置一段时间,待液面上的泡沫完全消失后,且再用手振荡锥形瓶也无泡沫产生为止飞这大概需要3h左右。此时用手触摸锥形瓶壁已冷却至室温,待用。
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复合生态系统是由人类社会、经济活动和自然条件共同组合而成的生态功能统一体。在社会—经济—自然复合生态系统中,人类是主体,环境部分包括人的栖息劳作环境(包括地理环境、生物环境、构筑设施环境)、区域生态环境(包括原材料供给的源、产品和废弃物消纳的汇及缓冲调节的库)及社会文化环境(包括体制、组织、文化、技术等),它们与人类的生存和发展休戚相关,具有生产、生活、供给、接纳、控制和缓冲功能,构成错综复杂的生态关系。以下是读文网小编为大家精心准备的:基于复合生态系统的旅游观光农业发展探索相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
摘要:从复合生态系统与旅游观光农业的含义出发,分析了湖北省罗田县旅游观光农业的发展现状,构建了罗田县旅游观光农业发展评价指标体系,并运用层次分析法和专家咨询法对湖北省罗田县旅游观光农业的发展现状进行评价。结果表明,罗田县旅游观光农业发展已具有较好的自然基础,但经济效益和社会效益还不明显,对此提出了发展罗田县旅游观光农业的建议。
关键词:复合生态系统;旅游观光农业;罗田县
Abstract:The current situation of the development of the tourism agriculture in Luotian county of Hubei province was analyzed from the connotation of the complex ecosystem and the tourism agriculture. The evaluation index system of the development of the tourism agricultural development in Luotian county was constructed. The development of the tourism and agriculture in Luotian county was evaluated by analytic hierarchy process and expert consultation method. The results showed that the development of the tourism agriculture in Luotian county had a good natural basis, but the economic and social benefits were not obvious, thus some suggestions on developing the tourism agriculture in Luotian county were put forward.
Key words:complex ecosystem; tourism agriculture; luotian county
2014年中央一号文件《关于全面深化农村改革加快推进农业现代化的若干意见》指出,要建立农业可持续发展长效机制,促进生态友好型农业发展。发展旅游观光农业,是优化农业产业结构的重要举措之一,为农民致富提供多元化途径,已成为农村经济新的增长点[1],对于繁荣农村经济、促进友好生态型农业发展、加快社会主义新农村建设具有强大的推动作用。复合生态系统为旅游观光农业的实践注入了新的发展理念和活力[2],在复合生态系统理论的指导下对旅游资源进行科学合理的开发、利用和管理,实现在旅游活动开展的同时做到对环境的保护,在实现生态效益的基础上实现经济效益和社会效益,从而进一步推动旅游观光农业的可持续发展[3]。
1.1 复合生态系统
20世纪80年代初,马世骏等[4]在总结了整体、协调、循环、自生为核心的生态控制论原理的基础上,提出了复合生态系统理论。自然、经济和社会三个子系统通过有机复合组成了复合生态系统,其中自然是经济、社会的基础;经济是社会的基础、是社会和自然联系的中介。在复合生态系统中,最活跃的积极因素是人,同时也是最强烈的破坏因素。一方面,人是社会物质文明和精神文明的创造者;另一方面,人的能动作用又要受到客体的制约,其一切宏观性质的活动,都不能违背自然生态系统的基本规律[5]。因此,人在改造自然的实践过程中,不能以纯粹自我喜好的活动来实现自己的主观愿望,不能对人的能动性滥加发挥。
1.2 基于复合生态系统的旅游观光农业
旅游观光农业是指具有保护环境、美化环境和观光旅游等功能的农业,是一种以农业和农村为载体,以田园自然和农艺人工风景为主,辅以人文景观的新型生态旅游业[6]。旅游观光农业既不是传统的旅游资源开发,也不是单纯的农业开发,是建设生态农业的新模式,是建设社会主义新农村、发展生态农业、全面落实科学发展观的重要手段[7]。旅游观光农业是将农民的生活、农业的生产、农村的生态结合于一体的产业,农民通过对当地自然资源的开发利用,吸引游客消费,带来经济收益,但同时必须要清醒地认识到外来消费者的活动也可能会对当地的生态环境产生一定的负作用[8]。旅游观光农业的发展应该在复合生态系统理论的指导下,以合理利用和保护农业自然环境的生态价值为前提,在统一规划和指导下因地制宜地开发农业旅游资源,力求使自然效益、经济效益和社会效益达到最佳组合。
罗田县位于湖北省东北部,北与安徽金寨县接壤。全县版图面积2 144 km2,是湖北省大别山试验区首批8个试点县之一,是全国闻名的板栗之乡、甜柿之乡、野生兰花之乡、蚕桑之乡、茯苓之乡。罗田县森林覆盖率达到71%,是名副其实的“避暑胜地”、“洗肺公园”和“天然氧吧”[9]。
罗田县地处大别山腹地,境内沟壑纵横,山青水秀,鸟语花香,生态环境优美,旅游资源得天独厚。以“天下大别山,美景在罗田”为主打品牌,通过板栗节、甜柿节、红叶节、吊锅节等一系列节会的举办,罗田县对外的知名度、美誉度、影响力和吸引力得到了显著提升,罗田县也从昔日默默无闻的山区小县、地方小景,一跃成为人们印象深刻的大美之地、心驰神往的生态净土,已成为山水田园休闲的首选之地。2009年以来,罗田县旅游业年均增长速度达到30.1%,高于GDP年均增长速度15.3个百分点。旅游业占GDP的比重逐年增加(表1),已成为罗田县名副其实的支柱产业。
罗田县是一个“八山一水一分田”的山区农业县,农业资源禀赋独特,自然风光秀丽,生态环境良好。罗田县的旅游资源与气候、生态、文化、乡村组合程度高,分布极为密集,全域皆有风景,四季均有特色,是一个典型的旅游观光农业资源大县,具备极大的发展潜力。2011年以来,罗田县紧紧围绕“生态立县、旅游兴县”的发展战略,结合县域资源禀赋优势,大力发展旅游观光农业,2012年已被农业部、国家旅游局认定为“全国休闲农业与乡村旅游示范县”。目前,全县共有旅游观光农业景区景点106处;旅游观光类农庄、农家乐800多家;休闲农业和乡村旅游产品加工企业35家,开发产品200多个,并建有农产品加工园区,建立销售网点300多处,产品不仅满足本地游客的需求,而且有20多个品种远销县外及香港、台湾、日本、韩国等地。目前,已建成天堂寨景区、薄刀峰景区、天堂湖湿地公园、罗九百里生态画廊、三里畈温泉小镇、瑞源农业生态观光园、罗田板栗公园、燕儿谷生态农庄等10大旅游观光农业精品景区。由于旅游观光市场的不断繁荣,已带动全县近10万农民在旅游观光农业发展中受益。
3.1 评价指标体系构建
针对生态旅游农业发展现状,目前还没有专门进行深度和系统的评价研究。本研究在借鉴其他相关评价体系和指标的基础上,采用理论分析法和专家咨询法,构建基于复合生态系统的罗田县旅游观光农业发展评价指标体系(图1)。
3.2 评价指标权重确定
罗田县旅游观光农业发展现状评价可以理解为多目标决策问题,而层次分析法正是解决多目标决策问题的有效方法。运用层次分析法可以使整个评价过程量化,减少评价过程中的主观性,很好地将定性评价与定量评价相结合。
指标权重确定过程首先以基于复合生态系统的罗田县旅游观光农业发展评价指标体系为基础,构建递阶层次结构;然后采用专家打分的形式,按照1~9标度方法构造各层次指标的判断矩阵;通过判断矩阵计算各指标的相对权重[10],并进行一次性检验;最后得到各指标对总目标的权重,如表2所示。
3.3 设定评价标准及等级
在罗田县旅游观光农业发展现状评价体系中,采用五级等级评语集{优秀,良好,中等,一般,差}作为评价等级。各等级标准采用百分制,优秀为≥90,良好为80~89,中等为70~79,一般为50~69,差为<50。赋分标准(表3)参考国家既定的行业标准和相关文献的研究成果,并结合罗田县旅游观光农业发展要求。
3.4 评价结果
评价结果的计算采用综合评分方法,运用公式D=■WiDi,其中,设Wi为基本指标Ci相对评价目标的权重,Di为对应基本指标Ci的评分。Di采用等级评分,等级评分的评语集为(优秀,良好,中等,一般,差),对应评分集为(95,85,75,60,25)。依据评价标准对罗田县旅游观光农业发展指标体系进行评价,评价结果如表4所示。综合评价得分为78.12,评价等级为中等。其中,自然系统得分为81.67,评价等级为良好;经济系统得分为75.81,评价等级为中等;社会系统得分为68.52,评价等级为一般。由此可见,罗田县旅游观光农业发展已具有较好的自然基础,但经济效益和社会效益还不明显。
结合罗田旅游观光农业发展现状评价指标体系和评价结果提出以下三个方面的发展建议。
1)维护合理的自然系统。
复合生态系统理论认为只要系统的目标之间具有协调性,总是趋向均衡位置,系统就是安全和可持续的,在不断的调整中螺旋上升地发展。自然子系统本身存在着非稳定性,社会、经济子系统对自然子系统的作用有可能是非理性的,因此人类时刻面临着灾害风险,而很多灾害是一种自然过程,有些人类可控,但更多的是人类无法控制的,有的甚至无法估计它的强度和频度,人类只能积极面对,提前做好应对准备。旅游观光农业的建设和经营以生态资源及农业资源为基础[11],当经营过程中以追求经济利益为中心时,就有可能改变农村原有的生态景观,通过人工景观来提高旅游市场的吸引力,从而导致生态系统遭到破坏,短时间内无法得到恢复,带来环境和经济损失[12]。
因此,罗田县在发展旅游观光农业的过程中,应遵循自然规律,利用和保护好现有的大气、水体和植被等优势生态资源;增加日旅游设施容量,增强农事活动的趣味性,提高农业景观质量,使旅游观光农业兼备生产与观光功能,成为能够提供见识农业生产的机会和欣赏田园风光的开放性农业。
2)保证经济系统的利润。
复合生态系统理论认为稳定的经济发展需要持续的自然资源供给、良好的工作环境和不断的技术更新,大规模的经济活动必须通过高效的社会组织、合理的社会政策,方能取得相应得经济效果[13]。增加农民收入是发展旅游观光农业的根本目的。但区域气候条件、地理位置、自然资源状况、经营管理水平等都会影响旅游观光农业项目的建设和经营。罗田县在发展旅游观光农业的过程中,应遵循市场规律,加强规划和政策引导,吸引资金,增强旅游观光农业项目的建设力度,通过开发旅游项目增加游客数量、提高游客消费水平,在当地居民旅游获益水平的同时缩短项目投资回收期。
3)追求社会系统的效益。
复合生态系统理论认为经济振兴必然促进社会发展,增加积累,提高人类的物质和精神生活水平。当社会系统处在良好的生存和发展状态时能支撑社会经济的持续发展,促进社会对自然环境的保护和改善[14]。
发展旅游观光农业是推进城乡经济一体化发展的重要抓手,大批外来游客将最新的市场信息,先进的思想和文化传递给农民,将促进农民不断解放思想,在生产方式和思维方式上逐步转变观念,促进农民增收致富,将进一步加快社会主义新农村建设的步伐。
通过旅游观光农业的发展,罗田县的农业与旅游、工业与旅游、商业与旅游开始实现融合,产生了一些新的业态,产业升级的步伐在加快。但仍需进一步引导人们转变思想观念、思维方式、行为习惯,不断提升价值观念、文化和科技水平;努力营造良好的卫生环境、诚信经营环境和社会治安环境,增强罗田县旅游观光农业的可持续发展能力,努力实现把农村建设成为经济繁荣、设施完善、环境优美、文明和谐的社会主义新农村的目标。
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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。
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激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:关于激光快速成形梯度复合结构的探究进展相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
梯度复合结构是结合零件不同部位的不同使用环境特点和性能需要而发展的由两种及以上材料组成的一种新型整体性结构,这种结构可以充分发挥不同材料的性能优势。梯度复合整体性结构的应用可减少零件数量及零件之间的装配连接,显著提高系统的性能水平和和结构效率,在航空航天、国防军工、生物医用等领域具有重要的发展应用前景。
目前,梯度复合结构的制备技术主要有粉末冶金、等离子喷涂、自蔓延高温合成、激光熔覆、离心铸造等,这些技术在较大尺寸、复杂形状的梯度复合结构成形方面存在较多限制。
激光快速成形技术是一种新型的数字化增材制造技术,该技术通过高功率激光熔化同步输送的粉末材料,可直接由CAD 模型得到具有致密组织和良好综合性能的近终形零件,显著缩短零件制造周期,提高材料利用率,在小批量、高性能、复杂外形零件的近净成形及高价值零件的高质量修复方面有着重要的应用前景。
由于该技术在材料组成、凝固组织、外形尺寸等的一体化控制方面具有高度柔性,通过合理的结构设计、材料选择以及工艺匹配,可以发展出集材料设计、制备、成形及组织性能控制于一体的柔性智能制造技术,在新型梯度复合结构的直接成形方面具有显著的技术优势。本文介绍了近年来国内外研究者采用激光快速成形技术制备梯度复合结构方面的研究成果,并简要报道了激光快速成形制备TC11/Ti2AlNb、TA15/Ti2AlNb 双合金材料方面的研究进展,通过分析存在的问题和面临的困难,指出了未来工作的主要方向。
为减缓不同材料之间热物理性能的差异,通常在不同材料之间设计连续/ 准连续梯度成分进行过渡,以缓和界面应力。针对不同的目标结构和成形路径方式,主要有单一成形层内连续改变粉末成分及每沉积层之间改变粉末成分两种方式。前者需要由计算机灵活控制的多路连续可调送粉系统,以实时改变粉末成分,同时需要对成形过程进行在线监测和反馈控制,以保证成形结构的内部质量;后者可通过离线方式分别改变两路粉末的送粉量来完成,工艺上比较容易实现,已开展的研究大多基于此方式。
研究所涉及的材料体系主要包括Cu-Ni、Invar 合金-316L SS、316L SS-Inconel 690、316L SS-Inconel 718、316L SSRene88DT、316L SS-Ni25、316LSS-Stellite 31、316L SS-Fe3Al、Ti-Rene 88DT、TC4-Rene 88DT、Ti-V、Ti-Mo、Ti-Cr、Ti-TiC、T i - T i A l、T i - T i2A l N b、T i60-Ti2AlNb 等。由于激光快速成形逐层熔化沉积材料的工艺过程特点,不同比例的异种材料在激光熔池的高温作用下经历原位冶金过程及合金化作用,材料体系的选择决定了梯度复合结构梯度过渡区的成分、相组成及性能。
对于Cu-Ni、316L SS- 镍基和钴基合金的材料体系,由于合金的主元素之间具有较好的相互固溶特性,较少产生脆性金属间化合物,通过合理的工艺匹配,可以制备出具有良好内部质量的梯度复合结构。对于Ti-V、Ti-Mo 体系,随着V、Mo 元素含量的增加,合金相组成发生显著改变,有望在梯度结构件及生物医用领域获得应用[20]。
由Ti-Ni、Ti-Al 相图可知,对于Ti-Ti2AlNb、TC4-Rene88DT 等连续梯度材料体系,由于激光快速成形过程中不可避免地形成较多的Ti2Ni、TiNi3、Ti3Al 等脆性金属间化合物,将带来性能上的不利,因此,在进行复合结构设计及成形过程中应加以避免。Qu等采用激光快速成形技术制备出TA15/γ-TiAl 梯度复合结构,研究了梯度材料的成分变化和力学性能,发现γ-TiAl 合金侧为由γ-TiAl和 α2-Ti3Al 相组成的全片层组织,TA15 一侧为粗大网篮状组织;梯度材料经过800℃ ×48h 的时效处理后,未发现裂纹,沿梯度方向的室温拉伸强度为1198.8 MPa,断后伸长率为0.4%,为脆性断裂。
鉴于飞机发动机涡轮盘盘缘和盘心的不同使用环境及性能要求,如心部要求高的断裂强度和低周疲劳强度,而边缘需要高的高温蠕变强度,有人提出采用两种镍基合金如Waspoaloy 和IN100 来分别制造心部和盘缘的设想,并在两者之间采用梯度成分进行过渡。激光成形多材料整体涡轮样件,其心部材料为1Cr11Ni2W2MoV 钢,叶片材料为GH742 合金,盘缘由GH163 合金逐渐过渡至GH742 合金,由于这两种镍基合金均含有大量的合金化元素,导致梯度过渡区成分更加复杂,其内部质量及性能控制方面有较高难度。对于性质相近的材料体系,可以采用直接过渡的方式进行双合金材料/结构的成形,通过合理控制界面过渡区的组织及性能,以实现不同材料性能的充分发挥。
近年来,随着航空发动机压气机叶盘全钛化及飞机结构整体化的应用与发展,对双性能钛合金提出了明确的需求。针对飞机整体结构不同部位的不同性能要求,为了进一步降低材料成本,在掌握激光快速成形钛合金关键工艺及质量控制技术的基础上,设计并通过激光快速成形制备出TA2/TA15[28-29]、TC4/TC11[30-31] 等双合金材料,通过对界面过渡区化学成分变化、组织演化、力学行为等开展深入研究,为新型结构设计积累了基础数据。
针对未来双合金高性能涡轮盘的发展需要,研究了GH163、GH742、Rene95 等镍基高温合金的激光快速成形工艺、组织及性能,在此基础上采用直接过渡方式激光快速成形制备出GH163/Rene95 双合金薄壁,不同材料内部及界面区的组织分析表明,激光快速成形镍基合金沿沉积高度方向为呈外延生长的定向凝固组织;在双合金界面处,枝晶亦呈外延生长,没有明显的界面;在双合金界面处存在宽约200 μm 的成分过渡区,过渡区硬度呈连续变化;GH163/Rene95 镍基双合金的界面结合强度高于GH163 的强度,界面拉伸断裂试样如图2(b)所示,表明采用直接过渡方式可制备出具有良好界面结合的双合金材料,避免了成分连续过渡区微裂纹缺陷的发生。
为突破高温钛合金的使用温度限制,采用直接过渡方式制备出TC11/γ-TiAl[33]、TC11/Ti2AlNb 双合金材料。图3 为激光快速成形TC11/Ti2AlNb 双合金薄壁样件及界面过渡区组织,双合金界面过渡区的成分分析结果表明,由于Ti2AlNb 合图1 激光快速成形多材料整体涡轮样件 金对 TC11 钛合金的稀释作用产生了成分介于两者之间的两层过渡层(TZ1 和TZ2),经550℃保温2 h 后空冷的去应力退火处理,TC11/Ti2AlNb 双合金在室温及650℃高温下界面拉伸强度及延伸率分别为1060MPa、610MPa 和2.2%、23%,其中室温拉伸断裂于Ti2AlNb合金侧,650℃高温拉伸断裂于TC11合金侧,达到中低温充分发挥TC11合金性能,高温发挥Ti2AlNb 合金性能的目的,有望用于发展具有复合性能的压气机整体叶盘。
针对某新型结构不同部位使用温度不同的实际需要,采用激光快速成形技术成功制备出直接过渡TA15/Ti2AlNb 双合金结构样件,其中直段部分为TA15 钛合金,扩张段为Ti2AlNb 合金。由TA15/Ti2AlNb 双合金界面的成分变化情况可知,在双合金界面存在宽度约300μm 的成分渐变过渡区,同样是由于Ti2AlNb 合金对TA15 合金的稀释而形成。沿垂直于界面方向的室温抗拉强度为1025MPa,延伸率为7.3%,断裂发生于界面附近靠近TA15 合金一侧,达到了国家标准对TA15 合金的力学性能要求。研究表明,激光快速成形Ti2AlNb 合金的室温及750℃高温抗拉强度分别达1012MPa 和702MPa,其室温抗拉强度与TA15 合金相当,在拉伸过程中,Ti2AlNb 合金侧拉伸段几乎不发生塑性变形,导致整体延伸率较低。
为优化TA15/Ti2AlNb 双合金界面区组织及性能,设计并成形了两种带中间过渡合金区的复合薄壁样,分别对不同合金界面的成分及组织进行了分析,沿垂直于界面方向进行室温拉伸测试。结果表明,采用该两种梯度复合结构的抗拉强度分别为1090MPa、1050MPa,延伸率相应为6.0%、9.0%,断裂位于梯度过渡区或界面附近TA15 合金侧。上述结果充分显示了激光快速成形技术在钛基双性能高温结构上的发展前景。
激光快速成形技术作为一种具有高度柔性的增材制造技术,在新型梯度复合结构的直接成形方面显示出独特的技术优势,在航空航天等领域显示出良好的发展应用前景,但其发展及应用面临着诸多问题。首先,进行梯度复合结构设计时要充分考虑不同材料之间的相容性,避免梯度成分过渡区及直接过渡界面区内有害相的形成,针对相容性差的材料体系,可以在两者之间引入与该两种材料均相容的第三种材料进行过渡;
其次,激光快速成形过程中零件内部存在较高的温度梯度和复杂的热应力,在成形梯度复合结构时会叠加由于材料的热物理性能差异带来的结构应力,从而对成形过程中应力及开裂的控制提出了更高要求;另外,激光快速成形的大多数镍基合金、钛合金等材料均需要经过后续的热处理,以实现组织及性能的优化,针对梯度复合结构,需要深入研究新的热处理制度,以协调优化不同材料的组织性能;同时,由于梯度复合结构或双合金结构的基础性能数据缺乏,相关性能的评价方法有待研究。
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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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在高考英语试题中,复合句占有较大的比例,复习时应该注意:
1.倡发散思维,忌单向思维,考各种从属句,常常是不同类型的连接词语正误连缀而至,如果不抓住这一点,不从多方面思考选择,就容易以偏概全, 误入歧途。
2.弄清主从复合句中的每一个从属连接词的意思、用法、主句与从句在时态上的呼应、语气、是否需要倒装、固定搭配及逻辑常识等。
3.熟记句型及特殊表达形式。
4.注意各分句之间的特点及区别。
5.注意有些连接词的省略情况及省略后某些语序发生的变化。
总之在做习题时,不能生搬硬套,一成不变,要全方位的思考,摸清出题者的意图,灵活机动,随着不同的语言环境而变化。
定语从句是在复合句中使其修饰的某一名词或代词代表一个(些)或一类特 定的人或东西。在做定语从句 的练习时,首先应该找出先行词,然后再确定选择关系代词或关系副词。能够引导定语从句的关系代词和关系副词有 who,whom,whose,that,which,when,why,where。
1.She heard a terrible noise,____brought her heart into ber mouth.(M
A.it B.which C.this D.that
选B.在非限定性定语从句中,关系代词用which不能用that。
2.He paid the boy $ 10 for washing ten wiondows,most of____hadn't cleaned for at least a y ear.(MET'90)
A.these B.those C.that D.which
选D.如果选A、B、C,整个句子不符合语法要求,因为有一个"逗号", 不是并列句,因此只能是一 个非限定性定语从句,在非限定性定语从句中关系代词一般用which。
3.His parents wouldn't marry anyone____family was poor.(MET'88)
A.of whom B.whom c.of whose D.whose
选D.因为whose作family的定语。
4.Finally the thief handed in everything____he had stolen to thepolice.(MET'87)
A.after B.what C.whatever D.that
选D.因为A、B、C不能引导定语从句。先行词everything,关系代词 that在从句中作宾语。当先行词 是不定代词all,anything,nothing,everything,something等,关系代词只能由that引导。
5.All____is needed is a supply of oil.(MET'89)
A.the thing B.that C.what C.which
选B.All作先行词,关系代词由that引导。
6.In fact the Swede did not understand the three questions____were asked in French.(85年 )
A.where B.who C.in which D.which
选D.question是先行词,在从句中作主语,所以应用which引导。
7.The man____talked to you just now is an engineer.(80年) A.who B.where C.which D.what
选A.先行词是man。在从句中作主语,所以选who。
8.The word"write"has the same pronunciation____the work"right". (84年)
A.of B.as C.to D.from
选B.先行词中含有such,the same时,或先行词被such,the same修饰时,关系代词用as引导。
9.Watch the girl and her dog____are crossing the bridge. A.which B.who C.they D.that
选D.当先行词含有"人"和"物"时,关系代词用that。
10.This dictionary,a few pages____are missing,is of no use.
A.among which B.of which C.which D.in which
选B.dictionary是先行词,which是关系代词,a few pages of which(diciotnary)。
11.You may take____book you like.
A.which B.only c.whichever D.what
选C.复合关系代词本身兼有先行词。whichever=anything that,whatever=anything that,whoever=any one who,whomever=anyone whom,whosever=anyone whose。
12.This is the best dictionary____I've ever bought.
A.with which B.that C.which D.when
选B.先行词是dictionary,因为先行词前有最高级、序数词、only,very,any等修饰时,关系代词用tha t。
13.I still remember the day____I first came to Beijing.
A.which B.that C.when D.where
选C.先行词the day,在定语从句中作状语,所以选when。当先行词是时间名词或地点名词时,关系词选 用when或where,that或which,主要取决于在定语从句中所作成份,如果作宾语,用that或which,作状语用wh en或where。 如:
(1)I still remember the days that/which we spent in the countryside.
先行词是the days,spent是及物动词,that/which作spent的宾语。
(2)This is the place where I lived three years ago.
先行词是place,lived是不及物动词,where在从句中作状语。
(3)This is the place that/which we visited three years ago.
先行词是place,visited是及物动词,that/which在从句中作宾语。
14.____,Charles Dickens was an English writetr.
A.It's knownn to all B.It's known that C.We all know D.As isknown to all
选D.as引出非限定性定语从句,表示"正如……那样”。类似的还有:asyou know,as you see,as can be known,as has been pointed out,as is known to all等。
15.I don't like the way____you laughed
at her.
A.which B.in that C.where D.that
选D.先行词是the way,表示方式,可用that(可省)或in which来引导一个定语从句。如果先行词是时 间或原因,也可用that(可省)或when或 why来引导定语从句。如:
(1)This was the reason that/why he was late yesterday.
(2)This is the last time that I shall give you a lesson.
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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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单位换热量的对比分析计算, 其中主蒸汽管道保温后外表面换热面积A=900m2。
降低散热损失Δq = q 改造前-q改造后= 249.04W/m2, 降低率q % =76%,减少热流量损失ΔΦ =A Δq =224136 W。
改造后1h 内减少散热量,即节能Q=ΔΦ×h = 806889.6kJ, 以机组年运行6000h,锅炉热效率η = 90%计算,运行1 年即可节约标准煤量B b =QbQη×h= 183540kg,燃煤单价按1000 元/t 计算,每年节约资金:183.54×1000 = 183540 元,取得了显著的经济效益。
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陕南包括安康、汉中和商洛三个地级市,属长江水系,北亚热带大陆性季风气候区,境内山清水秀,空气和水质状况优良。以交通枢纽城市安康为例,全市森林面积1993万亩,森林覆盖率56.5%,河流密布,水资源极为丰富,集水面积在100平方公里以上的河流就有76条。长江第一大支流汉江在境内流长354.5公里,流域面积5900平方公里。汉江也是全国少有污染的几条大河之一,陕南段水质常年保持在一类水质标准。随着南水北调中线工程的启动,陕南已被国家确定为南水北调的水源涵养地,在环境方面制定了严格的保障政策,要保证“一江清水送北京”。地方政府也将经济发展战略定位为“经营绿色”,全面实施退耕还林(草)工程,保护汉江生态环境,这些都是塑造水源地优势的丰富素材。
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