（水利水电工程专业论文）生物纤维多元复合材料管材性能研究.pdf

摘要 摘要 农业是我国第一用水大户，也是事关粮食安全保障和社会稳定的重要产业， 但我国农业一方面干旱缺水，另一方面用水浪费十分严重。农业灌溉定额显著 偏高，大水漫灌在许多地方还普遍存在。 输配水管道化，既节水又可减少农业渠系占地，同时还有利于机械化作业， 是世界节水灌溉技术的发展方向之一，国外发达国家普遍采用。但由于我国经 济实力较弱，农民经济状况较差，难以象国外那样，建设价格昂贵的农田管道 输水系统。因此，要在渠灌区推广应用管道化输水急需价格低廉、性能优异、 易于施工的大口径管材。研究开发轻型生物纤维多元复合管材是我国当前管道 输水灌溉方面优先考虑的方向 本论文首先从竹一塑多元复合管材的选材出发，通过对几种材料性能的对比 试验，确定了竹一塑多元复合材料中基体材料的类型、配比；然后根据竹一塑多 元复合材料的性能特点和农田低压输水灌溉系统的实际需求，设计了竹一塑多元 复合管材，并研究了其相应的生产工艺；其次，对所生产的竹一塑多元复合管材 进行耐内压性能试验、耐外压性能试验和水力学性能试验，试验结果证明所生 产的竹一塑复合管材符合课题要求，有很高的使用价值：晟后应用有限元分析方 法，对竹一塑复台管材埋地时的最不利情况进行了模拟分析，分析结果证明竹一 塑多元复合管材能大量应用到农田的输配水中。 关键词节水；管道输配水；大口径；竹一塑复合管材 a b s t r a c t i nt h e2 1c n , - r y , a g r i c u l t u r e 谢b et h ef i r s td e m a n d w a t e rd o o r w h a t sm o r e ，i ti st h e i m p o n a n t i n d u s t r y o f t h e f o o d s t u f f ss e c u r i t y a n d t h es o c i e t a ls t a b i l i z a f o n ，b u t o n t h e o n e h a n d t h e a g r i c u l t u r ei sd r o u g h t ，0 1 1t h eo t h e rh a n dw a t e ri sw a s t e dd e e p l y t h ei n - i g a t i o nr a d o n o f a g r i c u l t u r ei sh i g h e r , t h ef l o o d i n ge x i s t se v e r y w h e r e t h ep i p i n go fs e n d i n ga n dp r e p a r i n gw a t e r 锄s a v ew a t e ra n df e n c e t h e c u p l l gs o i lo f a g r i c u l t u r e ，s i m u l l a n c i t i l yc a nb ei nf a v o ro fm e c h a n i s a t i o n i ti st h ew a yo fs a v i n g w a t e r i r r i g a t i o nt e c h n o l o g y i nt h e 、w l r l 正a n di su s e du n i v e r s a l l yi nt h ed e v e l o p e dc o t m l r i e s b u tb c c a u s e t h ee c o n o m yi sp o o ri no u rc o u n t r y ，t h ec o n d i t i o no f r u r a le c o n o m i c si sw o r s e ，w e tb u i l dt h e s y s t e mo f t h ep i p j n go f s e n d i n ga n dp r e p a r i n ga st h ed e v e l o p e dc o o n t r i 氅i f w ew o u l dg e n e r a l i z e t h es e n d i n gw a t e ro f p i p i n gi nt h ei m g a t i o nc h a n n e l ，t h eb i gc a l i b e rp i p w i t hl o wp r i c e 、b c 啦e r p e r f o r m a n c ea n de a s yc o n s t r u c t i o na i m p e r a t i v e a tp r e s e n ti no c o u n t r yr e s e a r c h i n ga n d d e v e l o p i n gl i g h t d u t yb i o l o g yf i b r em a n yy u a nc o m p l e xp i p e si st h e 班叫_ a 删a ld i r e c t i o ni nt h e f a c eo f s e n d i n gw a t e ro fp i p c f i r s t l y , t h ep a p e rs e t so u tt h es e l e c t i n gm a t e r i a lo ft h eb a m b o o p l a s t i cc o m p l e x p i p e s ，b yb a l a n c c e m gs o m em a t e r i a l sp e r f o r m a n c e ，t h e nd e t e r m i n e st h eb a m b o o p l a s t i c c o m p l e xm a t e r i a lt y p ea n da l l o c a t e dp r o p o r t i o n ；t h e na c c o r d i n gt ot h eb a m b o o p l a s t i c c o m p l e xm a t e r i a l sp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea c t u a ld e m a n do f t h ef a r m l a n dl o wp r e s s u r e w a t e rd i s t r i b u t i o ni r r i g a t i o ns y s t e m ，h a v ed e s i g n e dt h eb a m b o o p l a s t i cc o m p l e xm a t e r i a la n d h a v es t u d i e di mc o n c s p o n d i n gp r o d u c t i o nc r a f t ；f i r s t l yd o e ss e v e r a le x r m i m e n t a i o n so ft h e b a m b o o p l a s t i cc o m p l e xp i p e s p e r f o r m a n c e ，s u c h 勰i n n e rp r e s st r i a l ，o i l i e rp r e s st r i a l , h y d r a u l i c si r i a l ，t h ee x p c r i m e a t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h eb a m b o o p l a s t i cc o m p l e xp i p e sa c a 3 0 r d w i t h t h e d e m a n d o f t h i s p a p e r , a n dh a v e b e t t e r u s e f u l v a l u e f i n a l l y , b y t h e f i n i t e e l e m e n t m e t h o d , t h ep a p e rs i m u l a t e sa n da n a l y s e st h em o s td i s a d v a n t a g e o u st h i n gw h e nt h eb a m b o o p l a s t i c c o m p l e xp i p e sa r eb u f f e d , t h ea n a l y t i cr e s u l t st e s t i f yt h eb a m b o o p l a s t i cc o m p l e xp i p e s 啪b e a p p l i e dl a r g e l yt h es e n d i n ga n dp r e p a r i n gw a t e ri nt h ef a r m l a n c l k e y w o r d s ：s a v i n g w a t e r ：p i p eo f s e n d i n ga n dp r e p a r i n gw a t e r ；, b i gc a l i b e r ；, b a m b o o p l a s t i cc o m p l e xp i p e s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：挲盔砼日期：盘挚塞i l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：奎已蒸叠i _ 导师签名： 眸嗍：晕盟 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 农业是我国第一用水大户，也是事关粮食安全保障和社会稳定的重要产业。 但是，在有限的水资源分配比例中，农业用水由于其比较效率低而处于不利位置， 大量农业用水被工业和生活用水挤占。近2 0 年来，我国农业年用水量占总用水 量的比重从8 8 下降到7 2 ，基本上维持在3 9 0 0 4 0 0 0 亿m 3 ，处于零增长。据 测算到2 l 世纪中叶，我国人口将发展到1 6 亿，年总用水量将增加到8 0 0 0 亿m ， 农业用水所占比例将下降到5 2 ，在粮食需求增加的同时农业用水量不可能有 大的增长。要在有限的耕地资源和水资源条件下生产出满足未来1 6 亿人口需求 的粮食和农副产品，只能走高效农业和节水农业的道路，发展节水灌溉，通过农 业自身的节水解决增产所需的新增用水量i l l 。 我国农业一方面干旱缺水，另一方面用水浪费十分严重。农业灌溉定额显著 偏高，大水漫灌在许多地方还普遍存在。目前我国灌溉水利用系数平均只有0 4 左右，比先进国家低3 0 4 0 个百分点。也就是说每年近4 0 0 0 亿m 3 的农业用水 量中有一半以上在输水和田间灌水过程中因深层渗漏、蒸发和退水而不能发挥效 益。目前我国农田水分生产效率平均不足t k g m 3 ，远远低于发达国家2 k g m 3 的 艚f t 2 - 3 j 。 输配水管道化，既节水又可减少渠系占地，同时还有利于机械化作业，是世 界节水灌溉技术的发展方向之一，国外发达国家普遍采用。所谓管道输水是指以 管道代替明渠的一种输水工程措施，它能通过一定的压力，将灌溉水由分水设施 输送到田间，可直接由管道分水口分水进入田间沟、畦，或在分水口处连接软管 输水进入沟、畦，是一种节水型的地面灌溉技术【4 】。 由于管道输水时一般都是埋地式的基本上消除了渗漏损失和蒸发损失，并 且更少的占用耕地且维修量小、水量更宜控制，因此，管道输水在我国已经有了 很大的推广。特别是2 0 世纪8 0 年代，随着塑料工业的发展，质量轻、长度大、 输水阻力小、施工简便的塑料管道在输水中得到了日益广泛的应用，更加促进了 管道输水这项节水工程技术的发展i ，l 。 我国节水灌溉发展战略上，应大力发展和推广输配水管道化。但由于我国经 济实力较弱，农民经济状况较差，难以象国外那样，建设价格昂贵的农田管道输 水系统，目前仅在灌区末级初步开展了管网化工作。因此，要在渠灌区推广应用 管道化输水急需价格低廉、性能优异、易于施工的大口径管材。 国内目前的大口径管材和管件主要以各类预制管和铸铁管为主，前者虽然 北京工业大学工学硕士学位论文 在抗渗压力上可以满足要求，但由于管身重量太大，接头又多，搬运、施工安装 比较困难，尤其在山丘区；后者造价高，难以推广。而高分子管材则向复合型材 料方向发展，如铝塑材料、钢塑材料、铜塑材料等，但上述复合材料由于材料和 工艺限制，主要应用在生产小口径管材( 生物纤维毡增强复合材料生物纤维经一定的工艺制成具有一定厚度和 面密度的生物纤维毡，然后与基体材料制成的复合材料。 5 ) 生物纤维织物增强复合材科以二维平面或立体三维纤维生物纤维织物 为增强材料与基体复合而成的复合材料。 ( 2 ) 按增强纤维的种类分类 1 ) 麻纤维增强复合材料包括黄麻纤维增强复合材料、苎麻纤维增强复合 材料、亚麻纤维增强复合材料、大麻纤维增强复合材料、剑麻纤维增强复合材料 等。 2 ) 竹纤维增强复合材料 3 ) 木纤维增强复合材料，又称木一塑复合材料或塑一木复合材料。 4 ) 椰纤维增强复合材料 北京工业大学工学硕士学位论文 5 ) 棉纤维增强复合材料 6 ) 混杂生物纤维复合材料，它是由两种或两种以上的生物纤维( 如黄麻+ 剑 麻，黄麻+ 苎麻，黄麻+ 苎麻+ 竹纤维等) 或是由生物纤维与合成纤维( 如苎麻+ 玻璃纤维等) 一起增强同一种基体制成的复合材料。 7 ) 其它生物纤维增强复合材料，如麦秸增强复合材料等。 ( 3 ) 按基体材料的不同分类 由于生物纤维的耐热性差，具有易氧化、易燃烧等缺点，可用作生物纤维复 合材料基体的材料并不多，主要有树脂和水泥两类。据此生物纤维复合材料按基 体材料的不同可以分为以下两种。 1 ) 生物纤维增强树脂基复合材料按照树脂基体性能的不同，又可以将其 分为生物纤维增强热塑性树脂基复合材科和生物纤维增强热固性树脂基复合材 料。 2 ) 生物纤维增强无机非金属复合材料 主要有生物纤维增强水泥基复合材 料、生物纤维增强石膏基复合材料等。 2 1 2 生物纤维复合材料的性能特点 2 0 世纪9 0 年代，生物纤维复合材料在许多应运领域开始取得，如大麻环 氧树脂，亚麻p p ( 聚丙烯) ，苎麻p p 等。与玻璃钢相比，生物纤维复合材料具 有以下优点： 1 ) 密度小。生物纤维的相对密度为1 5 左右，玻璃纤维的相对密度为2 6 。 2 ) 价格低。生物纤维复合材料每公斤造价约为o 2 2 1 1 0 美元，而玻璃钢 每公斤造价1 3 0 2 0 0 美元。 3 ) 能耗低。生产同制品，用生物纤维复合材料比用其它材料所消耗的非 再生性能源要低。 4 ) 生物纤维复合材料具有传统木材所不及的优越性能，如无木节疤：制品 表面光滑、平整、坚固，并可压制出各种立体图案和形状，不需要复杂的二次加 工；可加入各种制品；抗水性、抗虫蚀性、防腐蚀性和抗污染性均大大优于木材； 采用低品质的木材作为原料却能得到具有优质木材性能的制品。 5 ) 生物纤维复合材料具有吸潮、隔音、减震、降噪、耐冲击性高、手感好 等特点，在室内装饰等领域具有其它材料无可比拟的优点。 6 ) 生物纤维复合材料是一种新型的优良环保型材料。 生物纤维制品废气后可以自然降解，因此生物纤维复合材料废料对环境的影 响较小。制备具有同样性能的复合材料，生物纤维的含量往往要远高于玻璃纤维， 也就是说所需要的对环境破坏较大的聚合物基体的用量较少，因此也可以减少对 环境的污染。 第2 章竹塑多元复合材料的研制 另外，生物纤维复合材料的生产和使用不会向周围环境散发危害人类健康的 挥发物，其制品本身还可回收二次利用，是一种全新的绿色环保材料，也是一种 生态复合材料。 2 2 我国竹资源及其优势 我国竹资源【舯2 j 十分丰富，约1 5 亿吨。竹资源是我国森林资源的重要组成 部分占全国森林面积的4 5 。我国竹资源无论竹林面积、竹子种类及经济利 用水平均居世界首位，其中竹林面积和竹子种类约各占1 4 1 3 。因此我国竹资源 在世界上占绝对的资源优势，被誉为“竹子王国”。 竹类植物具有独特的生物学和生态学特性，具有分布广。四季常青，鞭根系 统发达、纵横交错，繁殖能力强，生长快，用途多，一次造林可不断采收、不断 自我更新等特点，如经营得当可永续采伐利用，兼具良好的经济、生态和社会效 益。近些年全球森林面积和资源存量急剧下降，而竹林面积和资源存量却以每年 3 4 的速度递增。因此，竹类植物被认为是2 l 世纪最具希望和潜力的植物。 我国竹种资源计有3 9 属5 0 0 余种，其中具有较高的经济、生态价值而被栽 培、利用的计有1 6 属2 0 0 余种，材用竹种主要有毛竹、慈竹、青皮竹、粉单竹、 龙竹、中华大节竹、茶杆竹、撑篙竹等：截止2 0 0 2 年底，全国经营的竹林面积 为5 5 1 6 0 万h m 2 ( 材用竹林2 5 0 1 3 万h m 2 ，纸浆竹林6 0 1 6 万h m 2 ，笋用竹林1 1 3 7 6 万h m 2 ，生态竹林1 2 7 5 5 万h m 2 ) ，其中毛竹面积3 5 2 2 6 万h m 2 ，占竹林总面积 的6 3 9 ；其它竹面积1 9 9 3 4 万h m 2 ，占竹林总面积的3 6 1 。 我国的竹林面积主要分布于长江流域以南地区，其中浙江、福建、江西、湖 南4 省的竹林面积( 3 1 4 2 4 万h m 2 ) 占全国竹林面积的5 7 o 。全国的毛竹株数 为7 7 1 0 亿株。 但相对而言，我国开发利用竹资源的程度还很低，还没有充分利用和开发竹 纤维的功用。 2 3 竹塑多元复合材料的组成 竹纤维多元复合材料是以竹材为主要原料，经过物理化学处理和机械切削加 工成纤维，按需要编织成不同几何形态的构造单元，然后用树脂等将其粘结成形。 因主要成份是竹材，价格便宜，具有推广应用的价值。目前应用较多的竹纤维复 合材料，如板材、管材等的含胶量大约在1 0 左右。 2 3 1 竹纤维 竹材2 4 1 本身就是种天然的纤维增强复合材料，非均质结构，并未形成层， 北京工业大学工学硕士学位论文 生长期间没有横向增大；各类细胞与竹杆纵向平行排列。竹材的化学成分主要有 纤维素、半纤维素、木质素及多缩戊糖，这三大部分占有9 5 以上的比例。 竹材的密度通常有两种表示方法：气干密度( 竹材的气干质量竹材的气干 体积) 、基本密度( 竹材的绝干质量竹材的生材体积) 。密度与竹种、竹龄以及 竹材的含水量有关。一般毛竹的密度在o 6 9 c m 3 左右，有时也有较大的差异，变 化幅度可达0 1 5 c 一。通常密度大的材质较硬、强度相对也高；密度小的塑性和 柔性比较好j 。 竹材的平均抗拉强度在2 0 0 m p a ，大约是木材的2 倍；平均抗压强度为5 0 m p a ， 与木材相差无几；静平均弯曲强度为1 8 0 m p a ：顺纹抗剪强度2 0 m p a 。与密度一 样，竹材强度与竹种产地、竹龄、竹材的含水量有关；另外竹材的不同生长部位 对抗拉强度也有一定的影响，如竹节间抗拉强度较节部高。 竹材的平均弹性模量为顺纹抗拉强度1 2 g p a ：顺纹抗压强度6 g p a ；静弯曲压 力1 1 0 p a 。 2 3 2 常用胶粘剂 在竹材人造板、管的生产中常用甲醛类合成树脂胶粘剂，包括脲醛树脂胶粘 剂、酚醛树脂胶粘剂、三聚氰胺树脂胶枯剂和环氧树脂胶枯剂。 脲醛树脂【2 4 】的性能特点主要是含有活性反应基团( 羟甲基c h 2 0 h 和酰 氨基) ，粘结性能优良；树脂溶于水，使用方便，适于多种材料的胶接，而且可 以与其它多种基材一起使用；固化工艺灵活；固化后的胶层没有颜色痕迹，不污 染制品，保证制品的原位，并且其易着色：耐溶剂性能优良、脆性较大、硬度高、 耐热性好：耐水性稍差，胶接强度稍低于酚醛树脂胶粘剂和环氧树脂胶粘剂。 酚醛树脂【2 4 l 是第一个开发作为胶合板的胶粘剂，已有8 0 多年的历史，其显著 特点是耐水性和力学性能等较脲醛树脂粘结高得多。其主要具有以下特征：原料 价格低，生产工艺简单而成熟；树脂即可混入无机填料又可混入有机填料做成模 型，也可浸渍织物制成层压制品；耐热、耐燃、可自熄，耐酸性强，但耐电弧性 和耐碱性较差；固化温度较高，固化后树脂的力学性能、酎化学可腐蚀性可与不 饱和聚酯相当，但不及环氧树脂；脆性较大，收缩率高，但不及聚酯和环氧树脂。 前三种胶粘剂分子量低、润湿性好、含有活性反应基团，能与竹材产生良好 的粘结作用；还具有良好的耐水性和耐化学药剂腐蚀性，是一类性能良好的胶粘 剂；另外相对环氧树脂等材料的价格要低得多。 环氧树脂【2 4 】是另一类应用较广泛的胶粘剂。环氧树脂是其他人工纤维增强复 合材料使用最多的基体材料。当前一些先进的复合材料有玻璃纤维、碳纤维等增 加环氧树脂，其特点是纤维强度为基体强度的5 0 倍以上，增强效果明显。然而 竹纤维的抗拉强度仅为环氧树脂的2 倍，因此两者增强的机理不尽相同。 第2 章竹塑多元复合材料的研制 2 4 竹塑多元复合材料的制作方法 制作竹一塑多元复合材料的方法有两大类。一类是仿照常规复合材料的热压 法；另一类是按生物组织制造过程的渐进式树脂渗入法。 热压法是将编织成形的竹纤维经碾压展开，树脂均匀地包裹着竹纤维，逐层 铺在模子内，经热压固化。这类工艺较适用于环氧树脂为基体的复合材科，环氧 树脂粘度较大，与竹纤维粘结力强，在热压固化过程中能充分填充纤维之问的空 隙，而且能很好地保护纤维，是制作复合材料的主要方法。目前竹纤维增强塑料 板材等大多使用这种工艺。 渗入法是将成形的竹纤维置于容器中，把树脂喷洒在纤维上使之表面湿润并 均匀渗透竹细胞内外空间，当基体开始有固化迹象时置于6 0 以上完全固化。这 种工艺可以制作非标准型材料，不足之处是由于没有加压，树脂与纤维的粘结不 充分，致使材料的性能不稳定。以甲醛类合成树脂胶粘剂为基体的竹纤维增强塑 料制作大多可用这类方法，因为基体稠度小，易于流动，固化时间短，从而成形 容易。制作管材之类的轴对称型构件时还可以通过模具的旋转，施加离心力，起 到热压作用，提高材料的均匀性和强度指标。 本课题使用的试验材料中以环氧树脂为基体的试件是通过热压法制成，以脲 醛树脂、酚醛树脂和三聚氰胺树脂为基体的试件是通过渗入法制成。 2 5 竹塑多元复合材料的性能试验 竹纤维增强后，塑料基体的各种物理、力学性能指标都有显著的改善。特别 是抗拉强度、抗压强度、疲劳寿命以及材料的韧性等参数都有大幅度地提高。 本项试验所采用的竹材是皖南歙县出产的5 年毛竹，平均抗拉强度为 1 8 0 m p a ；竹纤维按经6 纬4 编织。 试验设备为常规的材料力学试验仪器，试验依据主要由g b t 2 2 8 2 0 0 2 、 g b t 1 8 1 7 3 1 2 0 0 0 、g b t 5 2 8 、s l t 2 3 5 1 9 9 9 和g b t 1 5 7 8 8 1 9 9 5 。 试验的试件中，i 类是环氧树脂基体；i i 类是脲醛树脂基体：类是酚醛树 脂基体；类是三聚氰胺树脂基体。 2 5 1 竹塑多元复合材料的密度 不同含量竹纤维度对复合材料密度的影响结果见表2 一l 和图2 1 1 、2 1 2 。 从试验结果可以看出，对于含有同样的竹纤维纤维率的竹一塑多元复合材料，以 环氧树脂为基体的竹一塑多元复合材料的密度比较大，而以脲醛树脂、酚醛树脂 基体、三聚氰胺树脂为基体的竹一塑多元复合材料的密度比较小，且三者相差不 些塞三些奎耋三兰璧圭兰堡丝圣 大：对于同一种基体的竹一塑多元复合材料，随着竹纤维率增大，竹一塑多元复合 材料的密度也增大。 表2 1 竹一塑多元复合材料的密度 ( 单晓：g c m 3 ) t a b l e 2 - 1t h ed e n s i t yo ft h eb a m b o o - p l a s l i cc o m p l e xm a t e r i a l ( u n i t ：g c m 3 ) 纤维率( 纤维率)i 类基体 1 l 类基体1 1 1 类基体 类基体 9 0 1 1 引0 8 7 308 6 50 8 7 7 b 5 1 2 0 2o 8 9 0o 8 6 s09 1 6 8 0 1 2 1 6 0 9 4 5 0 9 2 40 9 5 5 图2 1 1 不同竹纤维率的密度变化图 f i g u r e 2 l lt h em u t a f i v ef i g u r eo f t h ed i f f e r e n tb a m b o o - f i b r er a t i o 图2 i - 2 不同基体的密度变化图 f i g u r e 2 1 2t h em u t a t i v ef i g u r eo f t h ed i f f e r e n tc o m p o n e n t 1 8 第2 章竹塑多元复合材料的研制 2 5 2 竹塑多元复合材料的弹性模量 不同竹纤维含量对复合材科的弹性模量影响结果见表2 - 2 和图2 2 1 、2 2 2 。 由试验结果可以看出，对于含有同样的竹纤维率的竹一塑多元复合材料，以环氧 树脂为基体的竹一塑多元复合材料的弹性模量比较大，而以其他三种弹性模量比 较小，且三者相差不大；对于同一种基体的竹一塑多元复合材料，随着竹纤维的 纤维率越大，其弹性模量也越大。 表2 2 竹一塑多元复合材料的弹性模量 ( 单位：g p a ) t a b l e 2 - 2t h ee l a s t i cc o e f f i c i e n to f t h eb a m b o o - p l a s t i cc o m p l e xm a t e r i a l ( u n i t ：g p a ) 纤维率( 纤维睾)i 类基体1 1 类基体l i i 类基体类基体 9 0 5 4 22 8 l28 52 8 7 7 9 5 5 2 6 2 6 92 6 82 5 6 8 0 4 9 32 4 22 2 4 2 1 9 图2 2 1 不同纤维率的弹性模量变化图 f i g u r e 2 - 2 lt h e e l a s t i c c o e f t i c i e n t s m u t a t i v e f i g u r e o f t h e d i f f e r e n t b a m b o o - f i b r e r a t i o 图2 2 2 不同基体的弹性模量变化图 f i g u r e 2 - 2 - 2t h e e l a s t i c c o e f f i c i e n t s m u t a t i v e f i g u r e o f t h e d i f f e r e n t c o m p o n e n t 北京工业大学工学硕士学位论文 2 5 3 竹塑多元复合材料的抗拉强度 不同竹纤维含量对复合材料的抗拉强度影响结果见表2 3 和图2 - 3 1 、2 3 2 。 由试验结果可以看出，对于含有同样的竹纤维率的竹一塑多元复合材科，以环氧 树脂为基体的竹一塑多元复合材料的抗拉强度比较大，而其他几种的抗拉强度比 较小，且三者相差不大；对于同种基体的竹一塑多元复合材料，随着竹纤维的 纤维率增大，其抗拉强度也增大。 表2 3 竹一塑多元复合材料的抗拉强度 ( 单位：m p a ) t a b l e 2 3t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h eb a m b o o - p l a s t i cc o m p l e xm a t e r i a l ( u n i t ：m p a ) 纤维率( 纤维牢)i 类基体类基体l 类基体i v 类基体 9 0 1 4 2 09 2 1 78 6 4 2 9 0 0 6 8 5 1 2 6 59 0 3 68 1 6 08 9 9 7 s 0 1 1 4 38 8 2 58 0 盱8 39 3 图2 - 3 1 不同纤维率的抗拉强度变化图 f i g u r e 2 - 3 一lt h et e n s i l es t r e n g t h sm u t a t i v ef i g u r eo f t h ed i f f e r e n tb a m b o o - f i b r er a t i o 图2 - 3 2 不同基体的竹一塑复合材料的抗拉强度变化图 f i g u r e 2 - 3 - 2t h et e n s i l es t r e n g t h sm u t a t i v ef i g u r eo f t h ed i f f e r e n tc o m p o n e n t 2 0 第2 章竹塑多元复合材料的研制 2 5 4 竹塑多元复合材料的抗压强度 不同竹纤维含量对复合材料的抗压强度影响结果见表2 4 和图2 - 4 1 、2 4 2 。 由试验结果可以看出，以环氧树脂和酚醛树脂为基体的竹一塑多元复合材料的抗 压强度比较大，而其他几种的竹一塑多元复合材料的抗压强度比较小，但两者相 差不大，；对于同一种基体的竹一塑多元复合材料，随着竹纤维的纤维率增大，竹 一塑多元复合材料的抗压强度也增大。 表2 4 竹一塑多元复合材料的抗压强度( 单位：m p a ) f i g u r e 2 - 4t h ec o m p r e s s i v es t m n g t ho f t h eb a m b o o - p l a s t i cc o m p l e xm a t e r i a l ( u n i t ：m p a ) 纤维率( 纤维宰) i 类基体i i 类基体l 类基体类基体 9 0 1 2 8 4 61 1 9 4 41 2 8 1 6l j 8 1 0 8 5 1 2 1 6 91 1 1 0 21 1 7 6 ll l n 8 4 8 0 1 0 4 9 91 0 2 0 39 9 2 31 0 i 0 2 图2 4 1 不同纤维率的竹一塑多元复合材料的抗压强度变化图 f i g u r e 2 - 4 - 1t h ec o m p r v s s i v es t z e n g t h sm u t a t i v ef i g m eo f t h ed i f f m e n tb a m b o o - f i b r er a t i o 图2 - 4 2 不同基体的竹一塑复合材料的抗压强度变化图 f i g u r e 2 * 2t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h sm u t a t i v ef i g u r eo ft h ed i f f e r e n tc o m p o n e e t 北京工业大学工学硕士学位论文 2 5 5 竹塑多元复合材料的弯曲抗压强度 不同竹纤维含量对复合材料的弯曲抗压强度影响结果见表2 5 和图2 5 1 和 2 5 2 。由试验结果可以看出，对于含有同样的竹纤维率的竹一塑多元复合材料， 以环氧树脂为基体的竹一塑多元复合材料的弯曲抗压强度比较大，而其他几种的 弯曲抗压强度比较小，但三者相差不大；对于同一种基体的竹一塑多元复合材料， 随着竹纤维的纤维率增大，竹一塑多元复合材料的弯曲抗压强度也增大。 表2 5 竹一塑多元复合材料的弯曲抗压强度( 单位：m p a ) t a b l e 2 5t h ec u r v i n gc o m p r e s s i v es t r e n g t ho f t h eb a m b o o - p l a s t i cc o m p l e xm a t e r i a l ( u n i t ：m p a ) 纤维率( 纤维率)i 类基体1 i 类基体i l l 类基体i v 类基体 9 0 1 0 8 4 31 0 39 01 0 1 4 99 95 6 8 5 l o o 5 5 9 9 9 9 9 5 1 49 4 j j 8 0 9 3 2 18 9 5 78 42 08 4 8 8 图2 - 乒i 不同纤维率的竹一塑复合材料的弯曲抗压强度变化图 f i g u r e 2 - 5 - lt h ec u r v i n gc o m p r e s s i v es u e n g t h sm u t a t i v ef i g u r eo f t h ed i f f e r e n tb a m b o o - f i b r er a f t 图2 5 2 不同基体的竹一塑多元复合材料的弯曲抗压强度变化图 f i g u r e 2 - 5 - 2t h ec u r v i n gc o m p r e s s i v es t r e n g t h 8m u t a t i v ef i g u r eo f t h ed i f f e r e n tc o m p o n e n t 2 5 6 竹一塑多元复合材料的抗拉疲劳寿命 不同竹纤维含量对复合材料的抗拉疲劳寿命影响结果见表2 6 和图2 6 - 1 和 2 - 6 2 。由试验结果可以看出，以四种树脂为基体的竹一塑多元复合材料的抗拉疲 劳寿命相差不大；对于同一种基体的竹一塑多元复合材料，随着竹纤维的纤维率 越大，。四种竹一塑多元复合材料的抗拉疲劳寿命变化不统一 表2 - 6 竹一望多元复合材料的抗拉疲劳寿命( 单位：n o n z ) t a b l e 2 - 6t h ea n t i - p u l l st i r e dl i f eo f t h eb a m b o o - p l a s t i cc o m p l e xm a t e r i a l ( u n i t ：1 0 4h z ) 纤维宰( 纤维率)i 类基体i i 类基体 i 类基体类基体 9 0 2 51 42 i 5 2 2 21 32 42 5 8 5 2 50 3 2 2 9 62 1 3 22j2 5 8 0 2 4 6 71 97 21 9 6 0 2 0 9 2 注：疲劳试验的应力比为08 5 ，循环特性为01 5 图2 6 1 不同纤维率的抗拉疲劳寿命变化图 h g u r e 2 - 6 - 1t h e d 1 ，i l l l st i r e dl i f e sm u t a t i v ef i g u r eo f t h ed i f f e r e n tb a m b o o - f i b r er a t i o 图2 毒2 不同基体的抗拉疲劳寿命变化图 f i g u r e 2 - 6 - 2t h ea n t i - p u l l st i r e dl i f e sm u t a t i v ef i g u r eo f t h ed i f f e r e n tc o m p o n e n t 北京工业大学工学硕士学位论文 2 5 7 竹纤维含水量对竹。塑多元复合材料性能的影响 竹纤维含水量对竹塑复合材料性能的影响结果见表2 7 和图2 7 1 和2 72 由 结果可看出，以四种树脂为基体的竹一塑多元复合材料的抗拉强度均随竹纤维含 水量的增加而减小，说明竹纤维含水量对竹一塑多元复合材料的性能影响较大。 表2 - 7 竹纤维含水量对抗拉强度的影响( 单位：m p a ) t a b l e 2 - 7t h et e n s i l es w e n g t ho ft h eb a m b o o - p l a s t i cc o m p l e xm a t e r i a l ( u n i t ：m p a ) 纤维含水量 i 类基体l i 类基体 i 类基体 i 、，类基体 0 1 0 l6 59 3 6 09 3 3 49 7 4 5 i o 1 0 4 9 91 0 2 0 39 9 2 31 0 i 0 2 1 5 9 5 6 39 8 4 69 1 2 5 9 22 4 2 0 9 0 0 3 9 05 89 77 7 8 7 4 8 2 5 8 1 0 98 74 28 5 0 08 l ，5 4 注：o 含水量是指经过2 3 小时高温烘干后，纤维重量不变；本试验中的纤维率为8 0 0 o 图2 - 7 1 不同竹纤维含水量抗拉强度的影响变化图 f i g u r e 2 - 7 - 1t h et e n s i l es 呦g t h s m u t a t i v e f i g u r eo f t h e d i f f e r e n tb a m b o o - f i b r e r a t i o 图2 - 7 - 2 不同基体对抗拉强度的影响变化图 f i g u r e 2 - 7 2t h et e n s i l es t r e n g t h sm u t a t i v ef i g u r eo f t h ed i f f e r e n tc o m p o n e n t 第2 章竹塑多元复合材料的研制 上述试验结果表明：加大纤维的含量可提高材料的物理力学性能。试验数据 为深入探讨竹材形状、尺寸，排列以及树脂选择和填料比例及管材产品设计提供 了基础。 2 6 本章小结 本章详细叙述了生物纤维复合材料的分类与性能特点，竹一塑多元复合材料 的组成以及制作方法，在此基础上通过对课题所制作的不同基体和不同竹纤维纤 维率的竹一塑多元复合材料的性能进行了试验，结果证明( 1 ) 加大纤维的含量可 提高材料的物理力学性能：( 2 ) 竹纤维含水量对竹一塑多元复合材料的性能影响 较大，生产中应控制好竹纤维的含水量。 第3 章竹塑多元复合材车斗的设计与生产工艺研究 第3 章竹一塑多元复合管材的设计与生产工艺研究 3 1 竹塑多元复合管材产品的设计 本课题所研究的竹一塑多元复合管材产品设计采用不同工况下管材不同设计 原则的思想。 不同的管壁壁厚，在美国和日本是应用计算承受内压薄壁管厚度的b a r l o w 公式计算并考虑了腐蚀裕量和壁厚偏差- 1 2 5 之后确定的。 t b = 筹 悟d t = f = l 一 二1 + 2 5 4 ( 3 _ 2 ) 2 ( 1 0 1 2 5 ) 【盯t 式中f 。、f 分别表示理论和计算壁厚( r n m ) d 0 一管外径( r a m ) p 一设计压力( m p a ) p r 一在设计温度下材料的许用应力( m p a ) ( 1 ) 无压，低压管材设计：设计原则是“刚度控制”原则。根据产品使用 工况确定产品刚度，进而根据产品直径和复合材料性能，确定相应的产品承( 外) 压壁厚，或根据产品壁厚，选配相应的复合材料。另外，根据输送介质，确定产 品的磨损裕量或腐蚀裕量。 以直径为6 3 0 m 、压力为0 4 m p a 的管材为例，竹纤维填充面积约为4 0 截 面积所对应刚度的计算壁厚为9 9 8 r a m ，若考虑到灌溉输水过程中可能出现的泥 沙对管体产生的磨损作用，按2 0 年使用期下的磨损裕量约为0 2 m m ，故管材合 计壁厚为1 0 1 8 哪。若再考虑5 的富裕量，则相关产品的设计壁厚为1 0 5 m m 。 ( 2 ) 中高压管材设计：设计原则是“强度控制”原则。根据产品的工作压 力、产品直径和复合材料性能，确定相应的产品承( 内) 压壁厚，或根据产品壁 厚，选配相应的复合材料。另外，根据产品的工作温度，确定材料强度折减系数， 从而确定管材承压壁厚的增加系数；根据输送介质，确定产品的磨损裕量或腐蚀 裕量。表3 1 为设计并经验正过的竹一塑复合管材规格尺寸及偏差。 以直径为6 3 0 r a m 、压力为1 0m p a 的管材为例，竹纤维填充面积约为4 0 * , 4 截面积所对应强度要求的计算壁厚为2 1 6 9 m m ，若考虑到输水中泥沙对管体产生 的磨损作用，按2 0 年使用期下的磨损裕量约o 2 r n m ，则在管道工作环境较为稳 定可不考虑材料强度折减系数的状态下，管材合计壁厚为2 1 8 9 m m ，若再考虑5 苎塞三些奎兰三兰堡圭耋堡丝塞 的富裕量，则相关产品的设计壁厚为2 3 n u n 。 表3 - 1 竹一塑多元复合管材规格尺寸及偏差 t a n e 3 1t h es i z ea n dw i n d a g eo f d l cb a m b o o p l a s t i cc o m p l e xp i p e ss p e c i f i c a