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椰纤维增韧复合材料的设计及其性能评价

作　者: 姚嘉
导　师: 胡英成
学　校: 东北林业大学
专　业: 木材科学与技术
关键词: 椰纤维冲击韧性代木材料增强体形态力学性能模型
分类号: TQ352
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本研究以椰纤维的纤维优势为研究的着眼点,以椰纤维在复合材料工业中的合理有效利用为主要的研究内容,以复合材料设计理论为指导,进行了不同类型的椰纤维复合材料设计,实现了椰纤维的优势利用。以试验与理论结合的方式对于椰纤维复合材料的各项性能进行检测,采用了电镜分析(SEM),能谱分析和动态力学性能分析(DMA)等现代化的观察与检测手段,并结合传统的力学性能检测试验对材料的性能进行准确分析,实现了椰纤维增韧复合材料的合理设计。研究内容分为五个部分展开,首先,对椰纤维的纤维优势加以研究,椰纤维内部孔隙结构和低密度特性决定了椰纤维的吸声保温的功能特性；确定了椰纤维内部的微纤丝角度大,椰纤维断裂伸长率高的特征为椰纤维的优势特征,可以利用椰纤维对复合材料进行增韧设计。其次,对于椰纤维密度板的制备工艺进行优化,研究了椰纤维板的吸声性能和保温性能,对于椰纤维与木材碎料混杂板的力学性能与声学性能进行了合理的设计与研究。对椰纤维夹层代木材料进行设计,以不同的胶粘剂类型和不同的玻璃纤维增强体形式的加入作为影响因素,实现了椰纤维夹芯代木复合材料的设计,保证了材料的较高冲击韧性和综合力学性能。对不同椰纤维增强体形态增强不饱和聚酯材料的性能进行了评价研究,比较了椰纤维毡,椰纤维网与椰纤维绳三种增强体形态对于材料力学性能指标的影响规律,并获得了对于不饱和聚酯基体的增韧设计。基于复合材料的混合定律,对椰纤维不同增强体形态复合材料的力学模型进行构建与评价。主要的创新性成果如下(1)对于椰纤维的微纤丝角度进行合理的确定,明确了椰纤维的力学性能指标,明确了由于椰纤维的微纤丝结构而产生的对于椰纤维的断裂特性的影响。从而确定了椰纤维高的断裂韧性的利用为椰纤维复合材料设计的关键。(2)对于椰纤维低密度板的工艺进行优化设计并验证了椰纤维材料的吸声和保温优势,提出了变密度梯度椰纤维吸声板结构的设计,为椰纤维在建筑材料领域的合理利用奠定了一定基础。(3)在椰纤维代木材料设计部分,通过对于夹芯结构的增强设计,在椰纤维夹芯层中,加入玻璃纤维增强体和使用异氰酸酯胶黏剂,实现了“木材单板面板+椰纤维毡芯层+玻璃纤维网格布+木材单板面板”复合材料的整体性能的优化设计。这种复合材料在力学性能上,尤其是冲击性能上超过了天然生长的大青杨木材,设计出一种新型代木材料。(4)进行了椰纤维不饱和聚酯材料设计,利用椰纤维毡,椰纤维网与椰纤维绳三种不同的椰纤维增强体形态。内部结构与纤维定向性的差异,决定了不同增强体形态的椰纤维不饱和聚酯材料性能的差异,对于三种增强体形态的复合材料的力学性能进行了比较研究,证实了椰纤维绳不饱和聚酯复合材料的冲击韧性特征最优。(5)通过对于椰纤维不同增强体结构的分析并结合复合材料的力学性能特征,在复合材料混合定律的基础上建立了椰纤维绳增强形式的拉伸模量的分段预测,实现了椰纤维绳不饱和聚酯材料的拉伸性能预测模型的建立,并对椰纤维不同增强体形态增韧不饱和聚酯材料的增韧机理进行了理论模型的构建,完善了天然纤维复合材料的性能预测体系。通过本文的研究,椰纤维复合材料的增韧优势利用得以完善,设计出的椰纤维变密度板吸声结构,椰纤维夹芯代木材料和椰纤维不饱和聚酯增韧材料都具有很好的实际应用价值。为椰纤维资源的合理利用提供了多种选择方案。另外,通过椰纤维增强不饱和聚酯的力学性能预测模型的建立,为完善天然纤维复合材料的力学性能评价体系提供了有效的方法。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
1 绪论  14-25
  1.1 研究背景和意义  14-20
  1.2 椰纤维复合材料的国内外研究现状  20-24
    1.2.1 椰纤维的纤维预处理  21
    1.2.2 椰纤维增强热固和热塑性树脂基体  21-22
    1.2.3 椰纤维增强水泥和橡胶材料  22-23
    1.2.4 椰纤维全降解复合材料的研究  23
    1.2.5 椰纤维的优势应用  23-24
  1.3 存在的问题及论文的研究内容  24-25
2 椰纤维的特征与断裂机理的研究  25-40
  2.1 椰纤维的形态学特征  25-30
    2.1.1 椰纤维的宏观构造与特征  25-26
    2.1.2 椰纤维的微观结构  26-30
  2.2 椰纤维的化学组成和物理力学性质  30-37
    2.2.1 椰纤维的化学组成  30-31
    2.2.2 椰纤维的物理力学性质  31-34
    2.2.3 椰纤维力学性能预测模型的研究  34-37
  2.3 椰纤维利用形态的选择  37-39
  2.4 本章小结  39-40
3 椰纤维板的吸声保温性能评价  40-58
  3.1 椰纤维板的制备工艺优化设计  41-43
  3.2 椰纤维板的吸声性能研究  43-50
    3.2.1 吸声原理  43-44
    3.2.2 多孔性吸声材料的吸声性能理论  44-46
    3.2.3 椰纤维板的吸声性能预测  46-50
  3.3 椰纤维板的保温性能研究  50-52
  3.4 椰纤维与木材碎料混杂板的性能研究  52-57
  3.5 本章小结  57-58
4 椰纤维夹层结构代木材料的研究与性能评价  58-76
  4.1 椰纤维无纺针刺毡的内部结构特征  58-59
  4.2 椰纤维与玻璃纤维毡的夹层结构设计  59-66
    4.2.1 试验设计与性能检测  59-60
    4.2.2 力学性能的比较分析  60-63
    4.2.3 三点弯曲试验的破坏曲线分析  63-64
    4.2.4 冲击破坏机理分析  64-65
    4.2.5 试验小结  65-66
  4.3 椰纤维与玻璃纤维网格布的夹层结构设计  66-75
    4.3.1 试验设计与性能检测  66-68
    4.3.2 力学性能的直观分析  68-69
    4.3.3 内结合强度分析  69-70
    4.3.4 冲击断裂机理分析  70-72
    4.3.5 弯曲断裂机理分析  72-74
    4.3.6 试验小结  74-75
  4.4 本章小结  75-76
5 椰纤维不饱和聚酯复合材料的设计与力学性能评价  76-97
  5.1 椰纤维毡不饱和聚酯材料的性能优化设计  77-84
    5.1.1 试验设计与性能检测  77-78
    5.1.2 试件的力学性能分析与回归模型的建立  78-83
    5.1.3 试验小结  83-84
  5.2 椰纤维不同增强体形态增韧不饱和聚酯材料的试验研究  84-92
    5.2.1 试验设计与性能检测  84-85
    5.2.2 椰纤维不同增强体形态增韧不饱和聚酯材料的性能研究  85-91
    5.2.3 试验小结  91-92
  5.3 椰纤维不饱和聚酯材料的动态力学性能评价  92-96
  5.4 本章小结  96-97
6 椰纤维不饱和聚酯复合材料性能预测模型的建立  97-116
  6.1 纤维增强复合材料的混合定律  97-102
    6.1.1 连续纤维复合材料的混合定律  97-98
    6.1.2 连续纤维复合材料的拉伸强度模型  98-100
    6.1.3 短纤维增强材料的强度影响因素  100-102
  6.2 椰纤维绳增韧不饱和聚酯的拉伸性能预测模型  102-106
  6.3 椰纤维增韧不饱和聚酯的韧性特征与预测模型的建立  106-115
    6.3.1 椰纤维增韧不饱和聚酯冲击韧性的影响因素  106-111
    6.3.2 椰纤维增韧不饱和聚酯冲击韧性模型的建立  111-115
  6.4 本章小结  115-116
结论  116-117
参考文献  117-124
附录  124-125
攻读学位期间发表的学术论文  125-126
致谢  126-127

椰纤维增韧复合材料的设计及其性能评价

内容摘要

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