纤维混杂增强复合材料制备及其抗环境性能研究纺织工程本科毕业论文开题报告.doc

浙江理工大学本科毕业设计开题报告班 级纺织工程10（1）班姓 名洪元俭课题名称纤维混杂增强复合材料制备及其抗环境性能研究目 录1. 选题意义与可行性分析21.1 选题意义21.2 可行性分析32国内外研究现状33研究的基本内容与拟解决的主要问题43.1 研究的基本内容43.2 拟解决的主要问题54. 总体研究思路及预期研究成果54.1 总体研究思路54.2 预期研究成果55. 研究工作计划（进度安排）66.主要参考文献6成绩：答 辩意 见答辩组长签名： 年 月 日系主任审核意见签名： 年 月 日开题报告1. 选题意义与可行性分析1.1 选题意义（1）玄武岩纤维玄武岩纤维，是玄武岩石料在14501500熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。类似于玻璃纤维,其性能介于高强度S玻璃纤维和无碱E玻璃纤维之间，纯天然玄武岩纤维的颜色一般为褐色，有些似金色1。玄武岩纤维是一种新出现的新型无机环保绿色高性能纤维材料，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过漏板快速拉制而成的。玄武岩连续纤维不仅稳定性好，而且还具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能。此外，玄武岩纤维的生产工艺产生的废弃物少，对环境污染小，产品废弃后可直接转入生态环境中，无任何危害，因而是一种名副其实的绿色、环保材料2。我国已把玄武岩纤维列为我国重点发展的四大纤维之一，在我国基本上实现了工业化生产。玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用。玄武岩纤维与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)等高技术纤维相比，除了具有高技术纤维高强度、高模量的特点外，玄武岩纤维还具有耐高温性佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适应于各种环境下使用等优异性能，且性价比好，是一种纯天然的无机非金属材料，也是一种可以满足国民经济基础产业发展需求的新的基础材料和高技术纤维3-4。玄武岩纤维及其复合材料可以较好地满足国防建设、交通运输、建筑、石油化工、环保、电子、航空、航天等领域结构材料的需求，对国防建设、重大工程和产业结构升级具有重要的推动作用。它既是21世纪符合生态环境要求的绿色材料，又是一个在世界高技术纤维行业中可持续发展的有竞争力的新材料产业。尤其是我国已经拥有自主知识产权的玄武岩纤维制造技术及工艺，并且以“后来居上”的后发展优势达到了国际领先水平5，因此，大力发展玄武岩纤维及其复合材料产业无疑具有重要的意义。（2）玻璃纤维玻璃纤维增强材料简称（GFRP）俗名玻璃钢。它是以玻璃纤维及其制品(玻璃布、带、毡、纱等)作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。复合材料的概念是指一种材料不能满足使用要求，需要由两种或两种以上的材料复合在一起。组成另一种能满足人们要求的材料，即复合材料6。单一种玻璃纤维，虽然强度很高，但纤维间是松散的，只能承受拉力。不能承受弯曲、剪切和压应力，还不做成固定的几何形状。如果用合成树脂把它们粘合在一起，就可以做成各种具有固定形状的坚硬制品。既能承受拉应力，又可承受弯曲、压缩和剪切应力。这就组成了玻璃纤维增强的塑料基复合材料。根据合成树脂的不同玻璃钢主要有环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢、聚酯玻璃钢7-8。玻璃纤维复合材料由于其材料性能的可设计性及轻质高强的特点，应用于航空、航天及国民经济的诸多领域，如建筑、陆上交通工具、船艇和近海工程、电子、电器、体育、医疗器械等。目前，世界玻璃纤维增强塑料的总产量为200万吨，中国为15万吨，人均占有量仅有发达国家的1/101/20，其市场空间相当大，玻璃纤维的发展前景还是非常乐观的9-10。（3）纤维混杂复合材料纤维混杂增强复合材料是20世纪70年代发展起来的一种新型复合材料，它不仅扩大了复合材料的使用范围，同时使材料保留了单种纤维的优点，实现了纤维之间的优劣互补，使得复合材料在低成本下实现了多功能化11。随着技术的发展，其产品日益成熟，应用范围不断扩大，现已开发出多种产品，成功地应用于飞机、汽车等制造工业中。Bunsell&Harris12研究了碳纤维与玻璃纤维混杂复合材料的性能，认为玻璃纤维的加入有利于复合材料成本的降低，而碳纤维加入有助于复合材料弯曲模量的提高。Friedrich&Jacob13研究玻纤、碳纤维及芳纶纤维增强环氧树脂、PEEK及PA基体的混杂复合材料的摩擦性能。研究表明芳纶碳混杂纤维复合材料的耐磨性最佳。止谷洁司等14研究了涤纶与玻璃纤维混杂增强PVC复合材料，研究表明涤纶的加入有利于复合材料的制备，当涤纶含量为5-40时效果较好，当含量低于5时，不利于复合材料的制备，而含量高于40时，复合材料的柔韧性有所下降。用两种增强纤维进行混杂束增强的混杂复合材料已经取得良好的使用效果，而且得到发展。因为在混杂复合材料中存在混杂效应从而使某些性能明显优于用简单混合定则所估计的数值，而且还可降低原材价格，所以受到欢迎。目前混杂的形式正在从原来的增强体双元混杂向多元混杂方向发展。所谓多元混杂是包括在混杂纤维增强体中还可以加入各种颗粒填料，尤其是纳米颗粒的加入混杂，可能造成混杂复合材料在力学性能、耐热性及功能化等方面产生难以估计的纳米效应。基体亦可用混合体如共混物等，甚至还可以杂以其他属性的材料15-16。扩大构件设计自由度与工艺实现的可能性。由于混杂复合材料构件工艺实现的可能性超过单一纤维复合材料，相应又扩大了构件的设计自由度，从而使混杂纤维复合材料构件的设计自由度进一步扩大17。提高与改善复合材料的某些性能。通过两种或多种纤维，两种或多种树脂基体混杂复合，依据组分的不同、含量不同、复合结构类型不同可得到不同的混合复合材料，以提高或改善复合材料的某些性能。如采用玻璃纤维与碳纤维混杂，可改善碳纤维复合材料冲击强度低，易出现脆性破坏的现象。一般而言，加15的玻璃纤维，冲击强度可提高23倍18。（4）复合材料成型工艺纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，或Fiber Reinforced Plastic，简称FRP)是由增强纤维材料，如玻璃纤维，碳纤维，芳纶纤维等，与基体材料经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料19。根据增强材料的不同，常见的纤维增强复合材料分为玻璃纤维增强复合材料(GFRP)，碳纤维增强复合材料(CFRP)以及芳纶纤维增强复合材料(AFRP)。由于纤维增强复合材料具有如下特点：(1)比强度高，比模量大；(2)材料性能具有可设计性；(3)抗腐蚀性和耐久性能好；(4)热膨胀系数与混凝土的相近。这些特点使得FRP材料能满足现代结构向大跨、高耸、重载、轻质高强以及在恶劣条件下工作发展的需要，同时也能满足现代建筑施工工业化发展的要求，因此被越来越广泛地应用于各种民用建筑、桥梁、公路、海洋、水工结构以及地下结构等领域中20-21。自1932年树脂基复合材料在美国诞生之后，已有60多年的发展历史22。早期的纤维增强复合材料结构部件的加工方法采用手铺技术，尽管手糊法是可靠的工艺方法，但该法加工速度慢且是劳动密集性操作，近些年来，纤维增强复合材料的加工方法的研究重点放在大批量生产技术上，3种具有代表性的加工方法是模压、拉挤和长丝缠绕。热固性复合材料的成型工艺主要有长丝缠绕工艺、袋压工艺和拉挤工艺和模压成型工艺23。纤维增强热塑性复合材料的成型方法已发展了很多种，根据纤维增强材料的长短分为两大类：短纤维增强热塑性复合材料成型方法；连续纤维增强热塑性复合材料成型方法。短纤维增强热塑性复合材料成型方法有挤出成型和注塑成型。目前，有关连续纤维增强热塑性复合材料部件的成型方法有辊轧成型、纤维缠绕、挤拉和热成型24。RTM起始于50年代，是手糊成型工艺改进的一种闭模成型技术，可以生产出两面光的制品。在国外属于这一工艺范畴的还有树脂注射工艺和压力注射工艺。RTM的基本原理是将玻璃纤维增强材料铺放到闭模的模腔内，用压力将树脂胶液注入模腔，浸透玻纤增强材料，然后固化，脱模成型制品。从目前的研究水平来看，RTM技术的研究发展方向将包括微机控制注射机组，增强材料预成型技术，低成本模具，快速树脂固化体系，工艺稳定性和适应性等25-26。袋压法、热压罐法、液压釜法和热膨胀模塑法统称为低压成型工艺。其成型过程是用手工铺叠方式，将增强材料和树脂（含预浸材料）按设计方向和顺序逐层铺放到模具上，达到规定厚度后，经加压、加热、固化、脱模、修整而获得制品。四种方法与手糊成型工艺的区别仅在于加压固化这道工序。因此，它们只是手糊成型工艺的改进，是为了提高制品的密实度和层间粘接强度27-28。（5）复合材料抗环境的研究纺织复合材料在使用过程中会受到日光、雨水、空气、高温、风雪、紫外线等自然天气环境的影响，也会受到无法预测的其他外界物质对它的影响，如硫酸、硝酸、氢氧化钠等溶液，这些都会使复合材料发生老化现象29，使得复合材料表面光泽变暗，树脂与纤维发生剥离，机械强度下降，丧失复合材料的使用价值。因此防止或延缓复合材料的老化问题是一个非常重要的研究课题。复合材料是由基体(连续相)、增强体(分散相)及它们间的相界面构成的。复合材料的腐蚀特性除分别受这三部分影响外，还取决于这三部分之间的相互影响。一般而言，对复合材料耐腐蚀性起决定作用的是复合材料基体的性质30。由于受环境作用而产生的性能劣化是不可避免的，因此纤维复合材料的腐蚀程度通常取决于：复合材料的自身性质；环境条件( 温度、压力、所接触介质的性质和状态)；在某种环境下所处的时间31。对于不同的环境条件，复合材料的耐腐蚀性能可以有不同的术语和表征方法：当复合材料处于地球气候的自然环境，其耐腐蚀性能称为耐候性(或耐自然老化性)，主要用复合材料在大气环境中经一定时间的性能保留率表征，其中海洋大气腐蚀是自然环境腐蚀中较严重的一种；当复合材料处于高湿度环境(如淡水或海水浸泡)，其耐腐蚀性称为耐水性或耐海水性，主要用浸泡一定时间后的性能保留率来表征；当复合材料处于化学介质( 酸、碱、盐、有机化学试剂等)环境，其耐腐蚀性称为耐化学介质性，主要采用单位时间内材料单位面积上被腐蚀的质量或单位时间内被腐蚀的厚度来表征；当复合材料处于高温有氧环境，其腐蚀性称为抗氧化性，它主要用气氛性质(氧浓度、流动状态、温度及压力)和单位时间内复合材料消耗的厚度和单位面积上消耗的质量来表征32-33。复合材料的耐候性，主要指复合材料处在户外自然环境下，随时间延长而保持其原有性能的性质。测量耐候性的试验是将复合材料试样放置于户外自然环境中，使其受各种大气因素(阳光、高能辐射、工业废气、盐雾、机械摩擦、化学药品、微生物等)的综合作用，通过定期的外观检查和某些性能的测试来了解和比较复合材料的老化特征，从而考核和评价其耐候性34-35。紫外光的老化作用主要集中于复合材料的表层，并随时间推移而逐渐向内部发展，虽然紫外光本身的量很少，但它的光能量高，高聚物吸收光量子后，可引发和促进氧对基体树脂的作用，产生的游离基使高聚物进一步分解，因而光氧老化的作用是主要的原因36-37。复合材料的耐介质腐蚀性主要指其受酸、碱、盐及有机溶剂等化学介质的作用而抵抗性能下降的能力。与水对复合材料性能的影响相比，酸、碱、盐及有机溶剂对复合材料的作用要强烈得多，表现为使复合材料性能发生变化的程度高、速度快。在复合材料和化学介质系统中，不仅化学介质向复合材料内部渗透、扩散，并发生化学反应，而且复合材料中的被溶物、降解及氧化产物也从复合材料向介质析出、流失38-39。化学介质对复合材料的腐蚀除了引起性能降低外，还会引起其微观和状态变化，如失去光泽、变色、起泡、裂纹、纤维裸露、浑浊等。在高聚物基复合材料的各组分中，高聚物基体对于其耐介质腐蚀性起着决定性作用40。当化学介质与复合材料接触时，会通过表面向内渗透和扩散，使高聚物产生溶胀及溶解。除此之外，化学介质还会与高聚物发生化学反应，如生成盐类、水解、皂化、氧化、硝化和磺化等，引起高聚物的主价键破坏和裂解。这些化学反应构成了高聚物的腐蚀并造成性能下降。高聚物中的某些成分(添加剂、低相对分子质量组分)也会随时间的延长而向外扩散迁移并分解，使高聚物的性能进一步劣化41。1.2 可行性分析本设计的主要任务是通过混杂纱线（包覆纱）的制作、预制件的织造、复合材料的制备、力学性能的测试了解复合材料的制作工艺，并将复合材料放置在酸、碱、海水、湿热环境中，并比较放置前后以及放置不同时间的符合材料的表面、截面形态以及力学性能。纱线为玄武岩纤维/聚丙烯、玻璃纤维/聚丙烯包缠纱，以玄武岩璃纤维、玻璃纤维为加强纤维，聚丙烯为基体，采用热压法制得复合材料后，测试不同浸泡介质、时间以及温度下的材料力学性能。在织造过程中，应当采用不同的组织织造，最好进行对比实验。在复合材料的压制过程中，应当采用合适的温度，压力，时间进行制备。将复合材料在不同的环境中放置，测试复合材料的表面、截面形态以及力学性能2国内外研究现状采用非织造加工工艺，将玄武岩纤维和聚丙烯纤维通过开松混合后梳理成网，然后按照一定的尺寸制成预制件，使用模压成型工艺制备玄武岩/聚丙烯复合材料，研究不同比例的玄武岩纤维和聚丙烯纤维对复合材料力学性能的影响，并通过数学方差分析方法确定了影响因素的显著性。 结果表明：当玄武岩纤维和聚丙烯纤维的比例为30/70 时，复合材料的拉伸、弯曲强度和模量达到最高，最大拉伸强度、弯曲强度分别为92.998 MPa 和156.134 MPa，最大拉伸和弯曲模量分别为3.400 GPa 和1.288 GPa42。为研究复合材料中丙纶( PP) 体积含量对板材厚度、截面形貌、树脂浸渍增强纤维的效果以及板材拉伸性能的影响，利用PP 作为基体，玻璃纤维( GF) 和涤纶( PET) 作为增强纤维织成机织平纹预制件，采用层合热压法制备热塑性复合材料板材，并对复合材料板材进行性能测试。结果表明：随着PP 体积含量的增加，复合材料板材的厚度呈明显下降趋势，当PP 含量超过60% 时，复合材料厚度的变化逐渐趋于平缓; 随着PP 体积含量的增加，树脂对增强纤维包覆和浸渍效果越来越好，但由于增强纤维相对量的减少会导致复合材料力学性能下降43。通过考察玄武岩纤维在蒸馏水、氢氧化钠溶液及盐酸中煮沸3 h后的强度与质量变化，及其复合材料在8种化学介质中分别浸泡15 天、30 天和90 天后的力学性能与表面形态变化，对一种国产连续玄武岩纤维及其复合材料的耐化学介质腐蚀性能进行了实验研究。结果表明，该玄武岩纤维及其复合材料都有很好的耐水及耐碱性能，且纤维的耐碱性能优于其耐酸性能。由于玄武岩纤维的耐酸碱性能差异，使复合材料具有如下腐蚀特性：酸性介质中，复合材料弯曲强度和弯曲模量同步降低；碱性介质中， 复合材料弯曲强度降低，而弯曲模量几乎保持不变44-45。3研究的基本内容与拟解决的主要问题3.1 研究的基本内容本设计主要用的纱线为玄武岩纤维/聚丙烯、玻璃纤维/聚丙烯包缠纱，以玄武岩璃纤维、玻璃纤维为加强纤维，聚丙烯为基体，采用热压法制得复合材料后，测试不同浸泡介质、时间以及温度下的材料力学性能。设计的主要内容包括：1、设计复合线中的纤维混杂比例，采用包缠技术制得包缠纱线。2、设计并织造纺织结构预制件，并采用模压成型工艺制备复合材料。3、 对制得的复合材料进行力学性能测试，分析不同的预制件结构、腐蚀环境、腐蚀时间等对复合材料力学性能的影响。3.2 拟解决的主要问题1. 保证试验条件合理，实验操作的有序性，获取准确的实验数据。2. 在制作包缠纱的过程中选择合理的工艺参数，能够有效提高包缠纱的性能。3. 模压温度、模压时间和模压压力对复合材料的力学性能有着十分重要的影响，应当选择适当的模压参数。4. 将复合材料放置在合适的碱、海水环境中，并比较放置前后以及放置不同时间的符合材料的表面、截面形态以及力学性能。4. 总体研究思路及预期研究成果4.1 总体研究思路根据现有的连续玄武岩纤维研究的基础，对实验方案做了初步的确定和设计，具体分析如下：（1） 原料选取：玄武岩纤维、聚丙烯、玻璃纤维。（2） 将原料按照一定的比例进行包缠纱的制作。（3） 用做好的包缠纱做经纱，玻璃纤维为纬纱，在小样机进行织造。组织分别是平纹，正交三层。（4） 将织物在合适的温度、压强下进行复合。（5） 把不同组织的织物分别放置在人工海水碱性介质中，分别经过0天，15天，30天，再测试他们的力学性能，观察织物的表面形态。4.2 预期研究成果严格按照任务书的要求，认真完成研究内容，可获得以下的研究成果：（1）分析理解国内外玄武岩复合材料发展历史和研究现状。（2）分析理解织物力学性能测试原理、步骤及结果分析。（3）分析理解不同性质的环境对织物力学性能以及表面形态。（4）最后对不同组织的织物的力学性能进行比较确定抗环境影响最好的组织。（5）完成达到能够综合运用所学知识和技能，分析和解决实际问题，最后完成一篇论文。5. 研究工作计划（进度安排）(第2周之前)1.根据指导老师下达的任务书，根据浙江理工大学本科生毕业设计（论文）工作规范核对任务书各项要求，明确课题主要任务与目标、课题主要内容与基本要求；2.指导教师辅导如何撰写文献综述、开题报告；3.完成英文翻译、文献综述、开题报告，进行开题答辩。(第35周)1了解现有的玄武岩研究和开发现状；2 研究织物力学性能的影响因素及测试；(第69周)1.选择一定的比例进行包缠纱的制作；2.设计织物规格，试制织物，并进行织物抗环境的实验；3.测试力学性能，观察表面形态，记录数据。4.数据整理，实验补充。(第1011周)1.撰写论文，包括中英文摘要、目录、参考文献、致谢等，要求见“浙江理工大学本科生毕业设计(论文)工作规范”；2.提交论文初稿。(第1213 周)1.指导教师反馈论文修改意见；2.修改论文，提交电子版和纸质论文；3.论文答辩准备，要求ppt准备简洁明了、研究工作突出，10分钟发言准备；4.指导教师组织一次预答辩。(第14周)1.指导教师和论文评阅人评阅论文；2.论文答辩。6.主要参考文献1 许晓东, 董祥忠, 董毅, 莫健华, 等. 玻璃纤维增强聚丙烯复合材料研究进展J. 合成树脂与塑料工业, 2004(1): 66-682 敖玉辉, 孙阳阳, 陈刚, 陈丽岩, 等. 丙纶纤维自增强聚丙烯树脂的研究J. 化学工程师, 2011(4): 10-133 Anne Ross. 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