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1、碳纤维、玄武岩圆柱状复合材料 的性能研究,答辩人：* 学 号：100901133 指导教师：*,从早期最原始的复合材料的应用,发展到今天高性能纤维增强的先进复合材料,每一次高性能复合材料的出现,都伴随着人类发展的巨大进步。先进复合材料由于比强度高、比刚度大并且有耐高温、耐辐射及尺寸稳定等特殊性能,因而比传统的金属材料等更适合用作飞机、宇宙飞行器及某些尖端工业等的构件材料。随着技术的不断进步,借助于先进复合材料,人类逐步取得了越来越实用的高性价比工业设计。,纤维增强复合材料的重要性,研究背景,玄武岩纤维的物理和化学特性优越，具有较高的拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率，化学特性稳定，耐水、酸、碱等介
2、质侵蚀的能力强。 以玄武岩制造的复合材料管材可用于石油开采、炼油、天然气化工、石油化工等工业管道，可大幅度减少检修工作量和避免断裂，特别对于腐蚀性液体和气体的输送管道有更好的使用效果和性价比。 碳纤维密度小、强度及模量高、纤维细而柔软、导电导热性和射线透过性及电磁波屏蔽性好、热膨胀系数小、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变，对生物体有适应性。 碳纤维复合材料因其较高的比强度、比模量适用于航空航天工业、地面交通工具、造船工业、码头和海上设施、体育用品、冶金、石油、机械工业等领域。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的逐步下降，在增强混凝土、新型取暖装置、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用也必将迅速扩
3、大。,研究目的,（1）研究玄武岩实心圆柱状复合材料来代替钢筋应用于建筑等其他领域。 （2）研究玄武岩圆管状复合材料来用于石油开采、炼油、天然气化工、石油化工等工业管道。 （3）研究碳纤维复合材料应用于飞机及高速列车刹车系统、民用飞机及汽车复合材料结构件、高性能碳纤维轴承。,研究内容和方法,本课题要研究的是玄武岩、碳纤维圆柱状复合材料的 性能。 （1）通过查阅相关文献，查找树脂材料的详细资料，了解各种树脂的性能及应用范围，找出适合本实验的树脂材料； （2）通过树脂与纤维间结合力的测试，确定最佳的树脂粘度； （3）自主设计并加工出一套复合材料的成型装置； （4）通过改变不同参数制备纤维增强复合材料
4、，并通过实验室的万能强力机进行性能测试。,研究流程,玄武岩纤维、碳纤维强伸性能的研究 玄武岩纤维、碳纤维的耐酸碱性实验研究 树脂与纤维间结合力的实验研究 圆柱状玄武岩复合材料的制备及性能研究 拉伸性能 弯曲性能 压缩性能,复合材料的成型工艺,手糊成型工艺 缠绕成型工艺 拉挤成型工艺 模压成型工艺 铺放成型工艺,是自动铺丝束成型技术和自动窄带铺放成型技术的统称，是在已有缠绕和自动铺放技术基础上发展起来的一种全自动制造技术。,本课题成型工艺和装置,本课题结合手糊成型工艺和缠绕成型工艺自主设计并加工了一套复合材料成型装置，原理图如下：,本课题成型装置实物图,一、玄武岩长丝、碳长丝强伸性能的研究,玄武
5、岩长丝强伸性实验 小结：玄武岩长丝剪切强度是断裂强度的75.3%。 碳长丝强伸性实验 小结：碳长丝剪切强度是断裂强度的73.2%。 碳长丝拉伸是玄武岩拉伸的2.66倍；碳剪切强度是玄武岩剪切强度的2.58倍。,二、玄武岩长丝、碳长丝的耐酸碱性实验研究,不同时间酸碱处理对玄武岩拉伸性能的影响 小结：玄武岩经过10%盐酸处理后，前3个小时强度降低较快，下降为原来的86%，3个小时之后强度趋于稳定；玄武岩经过1mol/L氢氧化钠处理后，前1h断裂强度降为原来的86%，1h之后强力趋于稳定。,二、玄武岩长丝、碳长丝的耐酸碱性实验研究,不同时间酸碱处理对玄武岩剪切性能的影响 小结：玄武岩经过10%盐酸处
6、理1h后剪切强度降为原来的68%，之后强度不变，5h之后强度有所增加，变为原来的84%，48小时之后强度增大到原来的93%；也可以看出，玄武岩经过1mol/L氢氧化钠处理后剪切强度一直下降，48h后降为原来的20%。,二、玄武岩长丝、碳长丝的耐酸碱性实验研究,不同时间酸碱处理对碳拉伸性能的影响 小结：碳经过10%盐酸处理1h后拉伸断裂强度下降，强度降为原来的73%，1h后强度趋于稳定；也可以看出，碳经过1mol/L氢氧化钠处理1h后拉伸断裂强度降为原来的75%，之后强度趋于稳定，48h之后强度提高到原来的96.5%。,二、玄武岩长丝、碳长丝的耐酸碱性实验研究,不同时间酸碱处理对碳剪切性能的影响
7、 小结：碳经过10%盐酸处理后剪切强度基本不变；也可以看出，碳经过1mol/L氢氧化钠处理后剪切强度基本不变。,二、玄武岩长丝、碳长丝的耐酸碱性实验研究,结论：玄武岩、碳长丝具有很强的耐酸碱性，玄武岩的耐酸性略强于耐碱性。,三、树脂与纤维间结合力的实验研究,单根玄武岩复丝粘结力 两根玄武岩复丝粘结力 小结：不管单根或两根玄武岩复丝，树脂质量分数为54.6%时粘结力是最大的。,三、树脂与纤维间结合力的实验研究,单根碳复丝粘结力 两根碳复丝粘结力 小结：不管单根或两根碳复丝，树脂质量分数为54.6%时粘结力是最大的。,四、圆柱状玄武岩复合材料的制备及性能研究,玄武岩复合材料的制备,四、圆柱状玄武岩
8、复合材料的制备及性能研究,玄武岩圆柱状复合材料的拉伸性能 捻度相同根数不同时的复合材料拉伸指标 小结：拉伸强度比较：试样1试样5试样2；拉伸断裂应力比较：试样1试样5试样2。因此，当捻度相同时：根数越少，玄武岩和树脂的比值偏大点性能比较好。,四、圆柱状玄武岩复合材料的制备及性能研究,玄武岩圆柱状复合材料的拉伸性能 根数相同捻度不同时的复合材料拉伸指标 小结：拉伸强度比较：试样2试样3试样4；拉伸断裂应力 比较：试样2试样3试样4。因此，当根数相同时：捻度越小，玄武岩和树脂的比值越小性能比较好。 综合起来，试样1,即根数170根、捻度2捻/10cm的性能最好。,四、圆柱状玄武岩复合材料的制备及性
9、能研究,玄武岩圆柱状复合材料的弯曲性能 捻度相同根数不同时的复合材料弯曲指标 小结：破坏载荷比较：试样2试样5试样1；弯曲强度比较：试样2试样1试样5。 因此：当捻度相同时：根数不是越多或者越少越好，而是以恰当的根数制成的性能比较好。,四、圆柱状玄武岩复合材料的制备及性能研究,玄武岩圆柱状复合材料的弯曲性能 根数相同捻度不同时的复合材料弯曲指标 小结：破坏载荷比较：试样3试样2试样4；弯曲强度比较：试样3试样2试样4。 因此：当根数相同时：捻度不是越多或者越少越好，而是以恰当的捻度性能最好。 综合起来，试样3，即根数200根、捻度2.286捻/10cm的性能最好。,四、圆柱状玄武岩复合材料的制
10、备及性能研究,玄武岩圆柱状复合材料的压缩性能 捻度相同根数不同时的复合材料弯曲指标 小结：位移5mm时的最大力比较：试样5试样1试样2。因此，当捻度相同时：根数越大性能越好。综合起来，试样3，即根数200根、捻度2.286捻/10cm的性能最好。,四、圆柱状玄武岩复合材料的制备及性能研究,玄武岩圆柱状复合材料的压缩性能 根数相同捻度不同时的复合材料弯曲指标 小结：位移5mm时的最大力比较：试样3试样4试样2。当根数相同时：捻度越小或者越大不一定越好，捻度恰当时性能比较好。 综合起来，试样5，即根数230根、捻度2捻/10cm的性能最好。,结论,玄武岩的剪切强度是断裂强度的75.3%；碳长丝的剪
11、切强度是断裂强度的73.2%；碳长丝的断裂强度是玄武岩长丝断裂强度的2.66倍；碳长丝的剪切强度是玄武岩剪切强度的2.58倍。 玄武岩、碳长丝具有很强的耐酸碱性，玄武岩的耐酸性略强于耐碱性。 通过玄武岩、碳长丝与不同质量分数树脂的粘结力比较得出：树脂质量分数为54.6%时结合力是最大的。 复合材料拉伸性能测试得出：当捻度相同时：根数越少，玄武岩和树脂的比值越大，拉伸性能比较好；当根数相同时：捻度越小，玄武岩和树脂的比值越小，性能比较好。 复合材料弯曲性能测试得出：当捻度相同时：根数不是越多或者越少越好，而是以恰当的根数制成的弯曲性能比较好；当根数相同时：捻度不是越多或者越少越好，而是以恰当的捻度弯曲性能最好。 复合材料压缩性能测试得出：当捻度相同时：根数越大性能越好；当根数相同时：捻度越小或者越大不一定越好，捻度恰当时性能比较好。,感谢各位 老师的指导与评阅,
