仿生轻量型玄武岩纤维增强木塑复合材料的开发

论文摘要

本论文以前沿的仿生学为基础,通过多学科的交叉,在生物体轻量型设计手法的指引下,首次用新型生态的玄武岩纤维（BF）强化了新兴环保的木塑复合材料（WPC）,展开了新型生态复合材料（BF-WPC）的研究。本研究不仅充分利用了本研究室坚实的仿生研究基础和学科交叉的优势,成功地为开发BF- WPC探明了道路;而且在研究过程中,还观察到了前翅中新的微细结构,也提出了具有重要意义的一体化蜂窝板制备技术。（1）关于甲虫前翅:对仿生的基础--甲虫前翅结构进行了回顾与深化研究。首次观察到了纤维呈现网状交联排布方式,验证和继承了本研究室提出的优秀的“小柱-蜂窝”芯轻质一体化结构。根据甲虫前翅断面的纤维形状及其分布,归纳出了生物体所采用“最大填充”和“最优效果”两种生物手法,为本仿生研究确定原则性的指导思想。（2）BF-WPC中的较佳BF长度及其含量的探明:在未添加任何助剂的前提下,用短切长度为3、6、9mm和12mmBF强化WPC;结果表明BF能起到明显的强化作用,在力学性能与BF含量之间存在最大值现象,并提出了“弱端面”的定性假说,较为圆满地解释了这一现象。至于较佳的短切BF长度及其含量范围,当短切BF长度为3mm时,“弱端面”最多;BF长度为12mm、含量为30%时,容易造成纤维分布不均;结果表明,BF长度为6mm、含量为18-24%时,其力学性能提高的幅度达到最大。就其原因,很可能是BF短切长度为6mm时,“弱端面”为3mm时的一半,而短切BF的长度也正好是12mm的一半。此时兼有两者的长处,从而取得了最佳的增强效果。（3）较佳增容剂含量的探明:用BF含量为18%和24%、长度为6mm时对WPC的实验表明,均在增容剂马来酸酐接枝高密度聚乙烯（MAPE）含量在6-10%区间内取得最大值。从试样断面形态上看,未添加MAPE时BF表面光滑,添加一定量MAPE时BF表面模糊,形成特别的界面层,有效地增强纤维与WPC之间的结合力,从而提高力学性能。（4）对于网格纤维增强的BF-WPC:证实了生物网格纤维结构能有效地提高BF-WPC的力学性能。（5）对于三维轻量型结构的仿生研究:用BF增强的环氧树脂首次制备了一体化“小柱-蜂窝”板材,并成功地将增强用的长、短两类纤维方便地分布于整个一体化窝蜂结构的复合板材中。此技术可以结束蜂窝板现有的多体成型技术,具有整体性好、无需粘结、易产业化等特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 玄武岩纤维
• 1.2 木塑复合材料
• 1.3 WPC 与BF 的界面相容性
• 1.4 甲虫前翅轻量型仿生手法
• 1.5 本课题研究的目的和意义
• 1.6 研究方案和技术路线
• 第二章 甲虫前翅结构的回顾与深化研究及其实验指导思想
• 2.1 实验原料及分析测试
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验仪器与设备
• 2.1.3 实验方法
• 2.2 实验结果及其甲虫前翅的回顾，分析与深化研究
• 2.2.1 甲虫前翅网状纤维增强结构
• 2.2.2 甲虫前翅蜂窝－小柱结构
• 2.3 甲虫前翅中的纤维含量及其截面的优化手法
• 2.4 仿生轻量型玄武岩纤维增强木塑复合材料开发的指导思想
• 2.4.1 根据纤维含量及其纤维形态（外形）的仿生实验方案设计
• 2.4.2 根据甲虫前翅空间结构的仿生实验方案设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 3mm 短切玄武岩纤维增强木塑复合材料的试制与性能
• 3.1 实验原料及分析测试
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 实验仪器与设备
• 3.1.3 复合材料制备流程图
• 3.1.4 分析测试
• 3.2 实验结果
• 3.2.1 拉伸性能
• 3.2.2 弯曲与冲击性能
• 3.2.3 熔体流动速率
• 3.2.4 BF-WPC 断面的电镜观察
• 3.3 BF-WPC 的性能分析与强化机理的定性探讨
• 3.4 本章小结
• 第四章 BF-WPC 性能的验证及其应用指导思想
• 4.1 实验结果
• 4.1.1 拉伸性能
• 4.1.2 弯曲与冲击性能
• 4.1.3 BF-WPC 断面的电镜观察
• 4.2 BF-WPC 的性能分析与强化机理简述
• 4.3 具有不同性价比的新型BF-WPC 的开发
• 4.4 本章小结
• 第五章 BF-WPC 中较佳短切BF 长度及其含量的研究
• 5.1 实验结果
• 5.1.1 拉伸性能
• 5.1.2 弯曲性能
• 5.1.3 冲击性能
• 5.2 分析与讨论
• 5.3 本章小结
• 第六章 增容剂MAPE 对BF-WPC 性能的影响
• 6.1 实验方法
• 6.2 实验结果
• 6.2.1 有效增强BF-WPC 性能的MAPE 含量初选
• 6.2.2 添加MAPE 时BF-WPC 的力学性能及其断面形态
• 6.2.3 添加增容剂MAPE 的强化机理
• 6.3 本章小结
• 第七章 玄武岩纤维增强复合材料仿生结构的创制
• 7.1 引言
• 7.1.1 网状纤维增强BF-WPC 的制备
• 7.1.2 一体化“小柱－蜂窝”结构板的制备试制方法
• 7.2 实验结果
• 7.2.1 网状纤维增强结构的力学性能
• 7.2.2 一体化小柱－蜂窝结构板
• 7.3 仿生结构BF-WPC 的性能分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢