新型轨枕复合材料组分与结构设计的研究

论文摘要

随着我国可采森林资源的日益减少,木材供应缺口的不断增大,森林采伐与木材加工剩余物的利用越来越受到关注与重视。开发木质剩余物资源,用以研制新型轨枕复合材料,一方面可以节约大量木材,变废弃物为宝,使尚未得到充分利用的废弃资源发挥最大的效能;另一方面,这种新型轨枕材料可满足铁路高速发展对轨枕数量和技术性能的要求,具有较高的研究价值和积极的社会意义。本研究首先通过理论研究初步确定新型轨枕复合材料的单元组分与结构设计方案;采用DPS数据处理系统对复合材料制备工艺研究的实验因子进行均匀实验设计,并对实验结果进行分析处理,获得新型轨枕复合材料的最佳制备工艺条件;在最佳制备工艺条件的基础上,利用Minitab进行平衡方差分析以及最小显著差数法（LSD）进行多重比较,研究三种填充材料与四种结构设计方案对轨枕复合材料静曲强度、弹性模量、吸水厚度膨胀率、干态内结合强度、湿态内结合强度、抗压强度等6项性能的影响。主要研究结论如下:（1）确定新型轨枕复合材料的单元组分:木质剩余物为填充材料,酚醛树脂为基体材料,玻璃纤维与毛竹片为增强材料,其它添加剂包括尿素、石蜡溶液、KH550型偶联剂等。并对新型轨枕复合材料进行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种结构设计。（2）确定热压时间、施胶量和密度作为新型轨枕复合材料制备工艺研究的实验因子,各实验因子的最优解为:热压时间t=0.7min/mm:施胶量m=14.30%;密度ρ=0.96g/cm3.（3）获得新型轨枕复合材料最佳制备工艺条件为:热压温度T=180～200℃;单位热压力P=3.5MPa、保压单位热压力P1=1.9MPa、平衡单位热压力P2=0.3～0.5MPa;热压时间t=0.7min/mm;施胶量q=14.30%;密度ρ=0.96g/cm3。（4）研究三种填充材料（落叶松、杨树、混合木质剩余物）、四种结构设计方案（方案Ⅰ、方案Ⅱ、方案Ⅲ和方案Ⅳ）对轨枕复合材料6项性能的影响,确定结构设计方案Ⅳ与混合木质剩余物为新型轨枕复合材料的最佳设计方案与填充材料。（5）在最佳制备工艺条件、最佳组分与结构设计方案、最佳填充材料种类等实验条件下,测得新型轨枕复合材料的性能如下:静曲强度70.26 MPa、弹性模量7567MPa、吸水厚度膨胀率5.48%、干态内结合强度4.371 MPa、湿态内结合强度2.980MPa、抗压强度84.06MPa,完全达到设计实验中各项性能的最佳值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 木质剩余物资源研究现状与发展趋势
• 1.2.1 木质剩余物利用的必要性
• 1.2.2 木质剩余物的研究现状
• 1.2.3 木质剩余物利用的发展趋势
• 1.3 轨枕材料研究现状与发展趋势
• 1.3.1 国内轨枕材料研究现状
• 1.3.2 国外轨枕材料研究现状
• 1.3.3 轨枕材料发展趋势
• 1.4 课题研究的设想与内容
• 1.4.1 课题研究设想
• 1.4.2 课题研究方案与技术路线
• 1.4.3 课题研究目的与意义
• 1.5 本章小结
• 2 新型轨枕复合材料组分与结构设计
• 2.1 组分选择
• 2.1.1 填充材料的选择
• 2.1.2 增强材料的选择
• 2.1.3 基体材料的选择
• 2.1.4 其它添加剂的选择
• 2.2 结构设计
• 2.3 本章小结
• 3 新型轨枕复合材料实验材料与方法
• 3.1 实验材料
• 3.2 实验设备
• 3.2.1 新型轨枕复合材料制备的实验设备
• 3.2.2 新型轨枕复合材料性能检测的实验设备
• 3.3 实验设计
• 3.3.1 新型轨枕复合材料制备工艺研究
• 3.3.2 新型轨枕复合材料设计优选与性能研究
• 3.4 实验方法
• 3.4.1 原材料制备方法
• 3.4.2 复合材料制备实验过程
• 3.4.3 制备工艺流程
• 3.4.4 材料性能测试
• 3.4.5 材料性能测试标准及方法
• 3.4.6 试验统计分析方法
• 3.5 本章小结
• 4 新型轨枕复合材料制备工艺的研究
• 4.1 轨枕复合材料制备实验因子分析
• 4.1.1 热压温度对轨枕复合材料性能的影响
• 4.1.2 热压时间对轨枕复合材料性能的影响
• 4.1.3 施胶量对轨枕复合材料性能的影响
• 4.1.4 密度对轨枕复合材料性能的影响
• 4.1.5 轨枕复合材料制备的实验因子
• 4.2 实验材料和方法
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 实验因子对复合材料性能影响的统计分析
• 4.3.2 实验因子对复合材料性能影响的二次回归模型数学方程
• 4.3.3 实验因子最优化条件
• 4.4 新型轨枕复合材料最佳制备工艺条件
• 4.5 本章小结
• 5 新型轨枕复合材料组分与结构设计的优选
• 5.1 实验材料与方法
• 5.1.1 实验材料
• 5.1.2 实验设计
• 5.1.3 实验方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 实验结果
• 5.2.2 轨枕复合材料设计对静曲强度的影响
• 5.2.3 轨枕复合材料设计对弹性模量的影响
• 5.2.4 轨枕复合材料设计对吸水厚度膨胀率的影响
• 5.2.5 轨枕复合材料设计对干态内结合强度的影响
• 5.2.6 轨枕复合材料设计对湿态内结合强度的影响
• 5.2.7 轨枕复合材料设计对抗压强度的影响
• 5.2.8 最佳设计方案与填充材料
• 5.3 新型轨枕复合材料最佳实验条件重复验证实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢