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46天然纤维增强复合材料的工业应用图文精
玻璃钢2009年第2期天然纤维增强复合材料的工业应用
谢薇编译
(上海玻璃钢研究院有限公司,上海201404
摘要
本文介绍了天然纤维增强复合材料的最新工业用途。
同时还介绍一些大学研究的情况、各种工业产品以及在航空领域中的可能应用,从超轻型飞机上的非结构性零件开始。
由于对环境的关注度不断上升,人们对天然纤维复合材料(NFC和生物降解材料的开发又重新燃起了兴趣,这对纤维增强塑料来说会是一种新型环保的选择。
这些材料有许多优点,包括特有的力学性能、良好的热性能、隔音绝缘特性、低密度、降低的工具磨损、优异的成型性以及安全的碰撞表现(无裂缝。
它们无毒、环保、低成本,容易获得,有助于工作环境更健康、更安全。
因此,天然纤维(NF可以作为低成本增强材料替代玻璃纤维。
考虑到有可能采用相同的工艺、工具、员工、设备、控制装置和技术,因此在成本合理的情况下一个简单的替代是可能的。
1变化的力学性能
表1是将主要天然纤维的力学特性与玻璃纤维比较之后的结果。
可发现有明显的变化,这些显然与植物、气候变化、种植类型、地理因素以及纤维提取技术间的生物差异性有关。
因此,可以从来自相同区域的批次中发现差异,而品牌中的差异只是生产年限有区别。
尤其重要的是要考虑差别很大的力学性能是否是对初级纤维、纤维束或只对纤维丝进行测试的缘故(捻度和纤维长度也是重要的参数。
纤维和纤维束之间的差别见图1。
表1天然纤维和玻璃纤维的主要力学性能
纤维
密度
(g/cm3
拉伸强度
(MPa
杨氏模量
(GPa
断裂伸长率(%
比拉伸强度
(MPa*g/cm3
比杨氏模量
(GPa*g/cm3
亚麻1.4-1.5345-1,50050-1101.2-3.3238-1,00034-76大麻1.4-1.5310-1,83435-701.6-3214-1,26424-50黄麻~1.3-1.46350-90010-301.2-1.8286-6507-22
玻纤2.552,400732.594129
·31·
·32·
图1亚麻茎内部结构
表2列出生产天然纤维的主要地理区域的数据及其相对的单位成本。
这些增强材料成本较低,大多数天然纤维的主要制造商都是发展中国家,这可以解释为什么对这些天然纤维会有越来越大的兴趣。
2007年10月,由罗马Sapienza大学举办了一个关于新型天然纤维复合材料在工业上的应用这一国际会议,来自世界各国与会者聚集到一起,他们包括欧洲(法国、德国、英国、荷兰和立陶宛、非洲(肯尼亚和坦桑尼亚、北美(德克萨斯、美国、南美(巴西、阿根廷、亚洲(中国、印度、孟加拉国、日本、太平洋西南岸(新西兰。
表2产量、主要生长区域以及天然纤维的价格。
纤维
国家世界产量(千吨
世界产量百分比
(%
年
世界产量(千吨
价格(毡/织物
印度
1,53362.19孟加拉国872.7535.4黄麻
尼泊尔
16.830.61
2001/02-04/05
2465
0.35(1.5/0.9-2
欧洲(主要为法国和比利时,分别占了欧洲生长区域的74%和15%20*2006加拿大26*美国13*
中国21*亚麻
印度11*
2004
751(yr2004
0.5-1.5(2/4
中国
39*2004
大麻
欧洲(法国55%,英国11%,罗马尼亚10%,德国8%,捷克7%,波兰5%
9*2006
83
(yr20040.6-1.8(2/4
微纤维
初级纤维
亚麻茎
纤维素
纤维束
·33·
2悠久的历史
天然纤维复合材料绝对不是一种新材料。
以下是20世纪以来的一些主要例子。
(1在英国,二次大战造成1939年到1945年间铝的短缺,由此开发了一种特殊的亚麻增强酚醛树脂,用于生产喷火式战斗机的机身蒙皮(FLIGHT-1942。
该材料的名称叫Gordon-Aerolite,被认为是“与塑料最接近的方法,但是拥有与金属可比的强度”。
(21942年,HenryFord采用大麻纤维复合材料制造了一辆概念车,虽然由于经济的限制始终没有投入生产。
(31950年到1990年,由于钢材短缺,开发了首辆采用天然纤维增强材料生产的汽车Trabant。
现在,天然纤维已成功应用到汽车领域,使汽车减重30%。
通常,每辆车采用约10-15kg的天然纤维。
最新的一个例子是莲花汽车(LotusEcoElise,在2008年7月英国国际车展上推出。
该汽车采用可持续利用的材料(如大麻、生态毛或剑麻,采用绿色科技和水性漆方案。
比标准的莲花汽车减重了32kg。
从1999年到2005年,德国汽车业采用的天然纤维(除了木料和棉已经从9600吨到1.9万吨。
这种快速的增长显示了生物复合材料的优势和潜能。
图2展示在MercedesE级车中的一些应用。
图2天然纤维复合材料在MercedesE级车中
尤其在发展中国家,天然纤维对土木工程极具吸引力,如活动房屋、地板砖、面板或墙体材料,这是因为天然纤维成本低、易得,能减少建造时间,降低污染排放,英国50%的二氧化碳排放量来自民用建筑。
3航空制造领域:
步步为营
至于航空结构,情况就截然不同了,原因如下:
(1高载荷水平;
(2力学、热和声音疲劳;
(3环境变化的影响以及耐用性、可靠度以及维修的附加要求;
(4力学性能的再现性要求和对材料性能的“信心”;
(5认证要求(除了超轻型飞机。
结果,用新材料进行替代会对成本和时间有很大的影响,而这又是认证程序要求的。
由于测试和数字模拟,过程通常漫长昂贵。
因此,罗马大学航空学院和材料学院决定进行得慢一点,步步为营,将NFC引入航空制造中。
研究人员把注意力放在四条研究主线,以此改进/决定:
(1工艺质量;
(2力学性能和再现性;
(3冲击强度;
(4寿命周期评估(LCA和环境影响。
首先对黄麻(及黄麻/玻纤混杂层压板进行深入研究,之后是大麻,采用热固性及热塑性基体。
目的是获得良好的化学/物理性能以及力学性能,重点放在各种生产批次产品中力学性能的差异和再现性上。
现已完成了一系列测试,从牵引、压缩、弯曲到冲击。
采用SEM分析来研究微结构和界面特性。
通过基于反射的声发射技术和超声技术来测试在各种载荷下的试样内部破坏状况。
其他要求研究基本材料、纤维和基体之间化学物理兼容性以及提高纤维基体粘接性的界面。
改进粘接性的一些化学处理方法在文献中有介绍。
其中一些已经过成功测试,它们比未处理过的材料具有更高的性能。
RTM(树脂传递成型被认为特别适合于航空制造的生产技术,这是因为与传统真空袋压和热压罐技术相比,它更具成本/效益优势。
下一步将涉及电磁性能(对未来飞机雷达罩具有潜在应用和力学测试,包括时间-环境变量,如湿度测试、热性能测试和热-湿测试。
首先,考虑对超轻型飞机中非主结构件的制造采用NFC(认证程序不适用该案例,然后再进行“适航认证”。
由于NFC的轻质和良好的绝缘特性,可用于内饰件,如帽盒、座椅、桌子或侧墙板,也可以用在外部的非结构件上,如雷达罩、整流罩或机翼和机身的结合处。
为了展示该材料的最新应用,在罗马召开的会议中推出了几个应用实例,包括超轻型飞机中的大麻/玻纤舵(图3,复合材料船体、座椅、灯、桌子、座位、外壳、地板、标识、火车内饰件、天然纤维增强蜂窝芯材等等(见图4。
·34·
·31·
图3Storm280SI超轻型飞机上的大麻/玻纤舵
图4竹纤船体、大麻桌子、亚麻椅子和黄麻增强蜂
窝芯材
(《JEC》2009,No.46:
46-48
风力机叶片维修服务
风能服务公司(WindEnergyServices通过宣布在明尼苏达州Worthington的第三处战略性工厂开始运营之时,开始在堪萨斯州Independence和德州Sweetwater提供玻璃钢风能服务和维修服务。
该公司464平方米的新工厂位于明尼苏达州西南部,该处是中西部风能集中之地。
据AWEA年度风能行业排名报告,明尼苏达州是美国第三大风能制造地,风电产量超过总电量的7%,达1754kW。
除了明尼苏达州,风能服务公司与排名第二的爱荷华州(2791MW很接近,这种布局使公司能满足要求,提供现场响应的风能复合材料工程技术,即评估及维修塔体上的破损、整个叶片、机舱罩、整流罩以及相关结构和表面零件。
公司总经理RicardoArellano认为:
“随着该地区对风能投资的扩大,对受过专业培训的风力机维护和维修专家的需求也稳步上升,因为每个人都寻求更快速的服务,而不是把零件运到别的地方或国外去维修。
”
除了Worthington的工厂,风能服务公司如今雇佣100多名专业培训和认证的复合材料风力机维修技术人员,他们能进行约90%的现场维修。
据Arellano说,关键是要降低叶片和机舱罩修理的物流成本。
因为运输这些巨大的叶片每英里成本在10-15美元。
公司的目标是无论哪里需要我们,我们都能进行快捷、高效的现场维修和改进工作。
最终,使我们降低了故障停机时间,培育了一种可管理的服务文化以响应市场的持续增长。
公司的移动响应服务团队受过培训,能够进行快速评估及全面维修,包括雷击、运输、安装损坏、结构开裂、前缘腐蚀、涂层破坏、叶片配平、装饰/一般保证性维护。
必要时,这些工作在安装(运输和处理破损、竖塔、现场移动叶片以及在异地做更广泛的工厂修理之前进行。
(谢薇
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