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竹纤维复合材料的组织设计、制备与性能研究

作　者: 张庐陵
导　师: 张沂泉
学　校: 南京林业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 竹纤维树脂复合材料细观结构性能设计模型
分类号: TB332
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 773次
引　用: 3次
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内容摘要

课题在研究竹纤维的结构与性能及所选基体材料的特点与性能的基础上,用竹纤维与树脂基体制备成不同的竹纤维复合材料,并对其拉伸、压缩、弯曲和冲击等性能进行了系统地测试研究,研究发现所制备的竹纤维复合材料的力学性能,开始随着竹纤维的含量增加而增加达到一定程度时又开始下降,说明纤维的增强作用有峰值存在。论文研究丰富了复合材料的理论体系。针对目前学术界很少研究复合材料的热物理特性的情况,课题首次提出热物理性能设计模型,并使用这个模型对所制备出的典型竹纤维复合材料进行了导热系数、比热等热物理特性的测试和理论分析,结果表明实际测量数据与课题研究出的理论模型吻合得很好;更出乎意料的是,该模型不仅仅只能预测热物理性能而且还可对其它非热物理特性如泊松比和模量等性能进行预测分析,理论计算结果与实际试验结果有很高的一致性。由于影响竹纤维复合材料性能的因素很多也很复杂,所以作者将模糊理论引入到竹纤维复合材料的研究中,得出了多因素输入对纤维复合材料性能输出的影响模型,并提出了纤维复合材料逆向设计问题和解决办法,理论模型对指导竹纤维复合材料的试验分析研究和实际工程应用取得了良好的效果。为了指导理论研究和实际生产,课题对竹纤维增强热固性、热塑性树脂基复合材料的成型传热过程运用有限元法进行模拟分析,并得出相关模型。

全文目录

致谢  3-4
摘要  4-5
Abstract  5-11
1 前言  11-18
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 竹纤维复合材料研究进展  12-16
    1.2.1 复合材料发展简述  12-13
    1.2.2 纤维复合材料与生物纤维复合材料  13-14
    1.2.3 竹纤维复合材料  14
    1.2.4 国内外研究状况  14-16
  1.3 课题的意义与立项来源  16-17
  1.4 论文的章节安排  17-18
2 竹纤维复合材料设计的理论与方法  18-44
  2.1 本研究中的几条基本假设  18
  2.2 竹纤维复合材料组织结构设计  18-20
    2.2.1 材料设计与范围  18
    2.2.2 材料设计计算方法  18-20
  2.3 竹纤维复合材料细观组织结构设计  20-25
    2.3.1 竹纤维复合材料坐标系  21
    2.3.2 竹纤维复合材料细观结构标记和分类  21-25
  2.4 竹纤维复合材料的力学理论  25-31
    2.4.1 应力与应变变换  25-28
    2.4.2 各向异性材料的应力应变关系及模量分量与柔度分量  28-29
    2.4.3 柔度和模量系数变换  29-30
    2.4.4 复合材料材料内部应变能量关系  30-31
  2.5 复合材料强度设计的理论问题  31-33
    2.5.1 Tasi-Hill 模型  31-32
    2.5.2 Hoffman 模型  32
    2.5.3 Tasi-Wu 模型  32-33
  2.6 单向纤维复合材料弹性常数的细观力学理论设计  33-37
    2.6.1 混合模型与弹性常数  34-35
    2.6.2 Chamis 模型与弹性常数  35-36
    2.6.3 Halpin–Tsai 模型与性能常数  36-37
    2.6.4 Hill–Hashin–Christensen–Lo 模型与弹性常数  37
  2.7 复合材料力学性能的桥联  37-43
    2.7.1 Voigt 和 Reuss 混合法则  37-38
    2.7.2 桥联矩阵与桥联系数  38-40
    2.7.3 纤维复合材料的性能参数  40-43
  2.8 小结  43-44
3 竹材及竹纤维的结构与性能  44-63
  3.1 竹材宏观与微观结构  44-49
    3.1.1 竹材宏观结构  44-45
    3.1.2 竹材微观结构  45-46
    3.1.3 竹材的主要组分  46-47
    3.1.4 竹材的性能与试验  47-49
  3.2 竹纤维的制备  49-50
    3.2.1 竹材的采集和处理  49
    3.2.2 竹纤维的制备  49-50
  3.3 竹纤维的组成结构  50-52
    3.3.1 竹纤维的组分  50-51
    3.3.2 竹纤维的结构  51-52
  3.4 竹纤维的形态特性测试  52-54
    3.4.1 材料  52
    3.4.2 竹纤维单丝长度和直径测试  52-54
  3.5 竹纤维的物理性能测试  54-56
    3.5.1 材料  54
    3.5.2 竹纤维密度与测试  54
    3.5.3 竹纤维的耐热性及试验  54-55
    3.5.4 竹纤维的溶解性及试验  55-56
  3.6 竹纤维的力学性能与试验  56-57
    3.6.1 材料  56
    3.6.2 竹纤维的力学性能试验方法  56-57
    3.6.3 竹纤维的力学性能测试结果  57
  3.7 竹纤维表面改性后的力学性能试验  57-62
    3.7.1 材料和试验方法  57
    3.7.2 竹纤维表面几何改性处理与性能  57-58
    3.7.3 竹纤维物理改性处理与性能  58
    3.7.4 竹纤维表面化学试剂改性处理与性能  58-62
  3.8 小结  62-63
4 竹纤维复合材料的基体  63-72
  4.1 复合材料基体  63
  4.2 关于竹纤维复合材料的基体  63-65
    4.2.1 竹纤维复合材料的基体选择  63-65
    4.2.2 热固性与热塑性树脂基体的特点  65
  4.3 竹纤维复合材料基体及性能  65-71
    4.3.1 试验方法  65-67
    4.3.2 EP 树脂基体与性能  67-68
    4.3.3 PF 树脂基体与性能  68
    4.3.4 UF 树脂基体与性能  68-70
    4.3.5 PP 树脂基体与性能  70
    4.3.6 PVC 树脂基体与性能  70-71
  4.4 小结  71-72
5 竹纤维树脂基复合材料设计与性能  72-91
  5.1 竹纤维复合材料设计及内容  72-73
  5.2 竹纤维复合材料细观力学性能及设计  73-80
    5.2.1 竹短纤维复合材料纤维临界长径比的数学模型  73-78
    5.2.2 单向平行竹短纤维复合材料的力学性能  78-79
    5.2.3 随机混合短纤维复合材料的力学性能  79-80
  5.3 颗粒增强复合材料细观力学性能设计  80-81
    5.3.1 颗粒增强复合材料力学常数范围  80-81
    5.3.2 颗粒增强复合材料性能的 Paul 限  81
    5.3.3 颗粒增强复合材料的拉伸强度  81
  5.4 竹纤维复合材料热性能参数与导热  81-85
    5.4.1 竹纤维复合材料横向热性能参数模型  82-84
    5.4.2 竹纤维复合材料纵向热性能参数模型  84
    5.4.3 随机分布短竹纤维复合材料热性能参数模型  84-85
  5.5 竹纤维复合材料的传热与热应力  85-89
    5.5.1 竹纤维复合材料传热有限元模型  86-87
    5.5.2 竹纤维复合材料应力与热应力  87-89
    5.5.3 竹纤维复合材料热应力的计算  89
  5.6 小结  89-91
6 竹纤维树脂基复合材料的制备与性能测试  91-117
  6.1 竹纤维环氧树脂复合材料的制备与性能测试  91-95
    6.1.1 材料的制备与试验方法  91-92
    6.1.2 竹纤维环氧树脂复合材料性能测试  92-95
  6.2 竹纤维酚醛树脂复合材料的制备与性能测试  95-98
    6.2.1 竹纤维酚醛树脂复合材料的制备  95
    6.2.2 竹纤维酚醛树脂复合材料性能测试  95-98
  6.3 竹纤维脲醛树脂复合材料的制备与性能测试  98-102
    6.3.1 竹纤维脲醛树脂复合材料的制备  98
    6.3.2 竹纤维脲醛树脂复合材料的性能测试  98-102
  6.4 竹纤维聚丙烯复合材料的制备与性能测试  102-104
    6.4.1 材料的制备与试验方法  102
    6.4.2 竹纤维聚丙烯复合材料性能测试  102-104
  6.5 竹纤维 PVC 复合材料的制备与性能测试  104-107
    6.5.1 材料的制备与试验方法  104
    6.5.2 竹纤维 PVC 树脂复合材料性能测试  104-107
  6.6 竹纤维复合材料热性能参数测试  107-110
    6.6.1 试样、仪器与试验方法  107
    6.6.2 竹纤维复合材料热性能参数测定结果  107-110
  6.7 竹纤维复合材料性能设计模型与试验数据比较  110-115
    6.7.1 竹纤维复合材料力学性能的计算  110-112
    6.7.2 竹纤维复合材料热性能参数的计算  112-114
    6.7.3 竹纤维复合材料在模腔内传热的有限元计算  114-115
  6.8 试验结果分析  115-116
  6.9 小结  116-117
7 竹纤维复合材料的界面及表面改性对性能的影响  117-137
  7.1 复合材料的界面  117-118
  7.2 纤维树脂基复合材料界面作用  118-124
    7.2.1 纤维树脂基复合材料界面的形成  118-119
    7.2.2 几种树脂与竹纤维的浸润角  119-122
    7.2.3 复合材料界面作用力  122-124
  7.3 竹纤维复合材料界面特点  124-127
    7.3.1 竹纤维界面的几何特点  124-126
    7.3.2 竹纤维化学键对界面的影响  126
    7.3.3 竹纤维降解对界面的影响  126-127
  7.4 竹纤维复合材料界面与作用  127
  7.5 竹纤维复合材料表面改性与性能  127-136
    7.5.1 竹纤维几何改性处理与复合材料性能  127-128
    7.5.2 竹纤维物理改性处理与复合材料性能  128
    7.5.3 竹纤维乙醇改性处理与复合材料性能  128-129
    7.5.4 竹纤维碱改性处理与复合材料性能  129-135
    7.5.5 竹纤维马来酸酐改性处理与复合材料性能  135
    7.5.6 竹纤维苯甲酸改性处理与复合材料性能  135-136
  7.6 试验结果分析  136
  7.7 小结  136-137
8 模糊理论及其在竹纤维复合材料研究中的应用  137-147
  8.1 材料研究中的模糊问题  137-138
  8.2 复合材料材料研究中的相关模糊理论  138-140
    8.2.1 相关概念和定义  138-139
    8.2.2 模糊关系与模糊相似矩阵  139
    8.2.3 模糊运算与模糊算子  139-140
    8.2.4 普通集与模糊集的相互转换  140
  8.3 模糊理论在竹纤维复合材料研究中的应用  140-141
    8.3.1 模糊综合评判  140
    8.3.2 模糊聚类分析  140-141
    8.3.3 模糊规划  141
    8.3.4 复合材料设计逆运算问题  141
  8.4 复合材料研究中的模糊理论模型  141-146
    8.4.1 复合材料性能参数的模糊关系  141-142
    8.4.2 复合材料输入参数对输出参数的影响  142-143
    8.4.3 复合材料输入参数对输出参数的影响程度  143-144
    8.4.4 因素对性能的评判模型  144-146
  8.5 小结  146-147
9 竹纤维复合材料工业化生产和应用情况  147-153
  9.1 项目应用背景  147-148
  9.2 竹纤维复合材料工业化生产和应用情况  148-150
  9.3 产业化部分成果  150-152
  9.4 竹纤维复合材料的应用及市场前景  152-153
10 结论  153-155
参考文献  155-162
攻读博士学位期间的研究成果  162
攻读博士期间发表的论文  162-163
详细摘要  163-174

竹纤维复合材料的组织设计、制备与性能研究

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