竹木复合材料湿热效应研究

论文摘要

本论文以竹木复合材料为研究对象，重点研究了湿热效应下竹木复合材料的静态力学、动态力学性能规律及作用机理，测试了竹材和杨木的湿热应变，在其热膨胀系数和湿膨胀系数的基础进行了板材自由变形弯曲及失效模拟分析。 对竹木复合材料不同湿热环境下的弯曲性能的变化规律的研究表明，竹木复合胶合板在不同湿热条件下的总体弯曲性能表现冰冻处理对竹木复合板的弯曲性能表现为正增强效应，其力学性能保持率为130％以上。干态150℃，4h、冷水20℃，24h、热水90℃，4h均为负效应，表现为性能降低。竹木复胶合板在干热与冷水处理下的静曲强度保持率小于弹性模量的保持率，呈现出一定的干脆性或冷脆性。负荷挠度曲线表明，竹木复合胶合板在冰冻、冷水、干热下表现为脆性破坏为主，热水处理时的性能变化表现出粘弹性为主的特征，竹木复合材料的静态力学性能表现与其粘弹性变化机理相关。 采用动态热机械分析对从-130℃至130℃范围内不同含水率下的竹材动态力学行为进行了研究。研究表明在-130℃～130℃的温度内，湿热作用下的竹材动态力学行为表现为负效应，储能模量降低，玻璃态转变点也随着含水率的增加而降低。竹材在不同含水率的玻璃化转变点及损耗因子分别为10％，30.5℃，0.04和34％，10.61℃，0.02。 杨木的储能模量表现为先随温度的升高而增加，然后随着温度的增加而减小。10％的杨木的储能模量在总体上明显高于35％的杨木，含水率越高储能模量越低。杨木的熔晶转变点与含水率的关系不明显，10％与35％的杨木的转变点分别为，27.7℃，29.4℃；两者相差甚微。熔晶转变点以下损耗模量曲线基本相似，说明含水率对杨木在低温区损耗因子的表现影响不明显。损耗因子及损耗模量随温度的变化表明在温度升高时，含水率的高低主要影响高温韧脆性的转变，含水率10％的杨木韧脆性转变点比35％的杨木高近30℃，说明冰冻后高含水率的杨木的耐高温性能降低。 将竹材层积材和杨木层积材的湿热性能与基材变化基本一致，竹杨复合后湿热效应的粘弹性行为不但与杨木和竹材各自的湿热效应的作用直接相关，也与复合材料中结构及结构体积比有关。 利用电测法，采用电阻应变仪对竹材、杨木及竹木复合层积材进行的应变测试分析表明，电测法测量可以求解出竹材和杨木的的湿膨胀系数、热膨胀系数。竹材、杨木的湿热变化过程中，竹杨和杨木表现为湿膨胀为主，湿效应为正效应，热效应均为负效应，且与温度变化过程无关。 利用Cai.Z.软件对四种竹木复合层积材的温湿度变化时的板材的尺寸变化、弯曲变形及失效形式进行模拟分析，可以看出湿度变化对竹木复合板材的尺寸变化起主导作用，这种主导作用与竹材和杨木纵横向的湿膨胀系数有关。由于横向膨胀系数远大于纵向膨胀系数，所以四种竹木复合层积材的变湿变形均以横向弯曲为主。另外，竹层积材在层数较小的情况下，由于其纵横向差异较大造成的板

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究的意义
• 1.3 技术研究背景
• 1.3.1 竹木复合材料的研究进展
• 1.3.2 树脂基复合材料湿热效应的研究现状
• 1.3.3 竹木复合材料湿热效应的研究现状
• 1.3.4 竹木复合材料湿热效应研究的思路
• 1.3.5 课题研究的创新点
• 2 不同湿热条件下竹木复合胶合板弯曲性能的研究
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验方法
• 2.3 试验结果及分析
• 2.3.1 竹木复合胶合板在不同湿热条件下的抗弯性能
• 2.3.2 不同湿热条件处理后对竹木复合胶合板弯曲性能影响
• 2.4 结论
• 3 竹木复合材料湿热粘弹性分析
• 3.1 动态热机械分析
• 3.1.1 动态热机械分析简介
• 3.1.2 TA Instruments Q800概述
• 3.1.3 竹木复合材料湿热效应动态热机械分析方法
• 3.1.4 竹木复合层积材试验材料制备
• 3.1.5 试验方法
• 3.2 竹材湿热效应的动态热机械分析
• 3.2.1 试验材料与方法
• 3.2.1.1 试验材料
• 3.2.1.2 试验方法
• 3.2.2 试验结果及分析
• 3.2.2.1 不同含水率竹材的储能模量温度谱
• 3.2.2.2 损耗因子及损耗模量
• 3.2.3 结论
• 3.3 杨木湿热效应的动态热机械分析
• 3.3.1 试验材料与方法
• 3.3.1.1 试验材料
• 3.3.1.2 试验方法
• 3.3.2 试验结果及分析
• 3.3.2.1 不同含水率杨木的储能模量（Storage Modulus）温度谱
• 3.3.2.2 损耗模量及损耗因子
• 3.3.3 结论
• 3.4 杨木单板层积材的动态热机械分析
• 3.4.1 杨木单板层积材试验结果及分析
• 3.4.1.1 不同含水率的杨木单板层积材的储能模量温度谱
• 3.4.1.2 不同含水率的杨木单板层积材的损耗模量及损耗因子
• 3.4.2 结论
• 3.5 竹层积材湿热效应的动态热机械分析
• 3.5.1 试验结果及分析
• 3.5.1.1 不同含水率竹层积材的储能模量温度谱
• 3.5.1.2 损耗模量及损耗因子
• 3.5.2 结论
• 3.6 杨竹层积材湿热效应的动态热机械分析
• 3.6.1 试验结果及分析
• 3.6.1.1 不同含水率杨竹层积材的储能模量温度谱
• 3.6.1.2 损耗模量及损耗因子
• 3.6.2 杨竹层积材与杨木层积材的储能模量对比分析
• 3.6.3 结论
• 3.7 竹杨层积材湿热效应的动态热机械分析
• 3.7.1 试验结果及分析
• 3.7.1.1 不同含水率竹杨层积材的储能模量温度
• 3.7.1.2 损耗模量及损耗因子
• 3.7.1.3 竹杨层积材与竹层积材的储能模量温度谱对比分析
• 3.7.2 结论
• 4 竹材、杨木的湿热效应
• 4.1 层合板的湿热原理
• 4.1.1 复合材料层合板的湿热本构方程
• 4.1.2 湿热膨胀系数的电测法
• 4.1.2.1 电阻应变仪工作原理
• 4.2 湿热应变试验
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 试验设备仪器
• 4.2.3 湿热应变试验方法
• 4.2.3.1 试验条件设置
• 4.2.3.2 湿热条件的设置
• 4.2.3.3 试验装置
• 4.3 杨木/竹材的湿效应分析
• 4.3.1 杨木试验湿效应的结果及分析
• 4.3.1.1 杨木的等温增湿下的湿应变
• 4.3.1.2 结果分析
• 4.3.2 竹材的湿热应变结果及分析
• 4.3.3 竹材/杨木的湿膨胀系数
• 4.3.3 结论
• 4.4 竹材和杨木的等湿热应变分析
• 4.4.1 竹材和杨木的等湿变温应变测试结果
• 4.4.1.1 等湿升温应变测试结果
• 4.4.1.2 等湿降温应变测试结果及分析
• 4.4.2 结论
• 4.5 竹木复合层积材的等湿热应变分析
• 4.5.1 竹杨层积材和竹层积材测试结果及分析
• 4.5.1.1 竹杨层积材和竹层积的等湿升温应变测试结果及分析
• 4.5.1.2 竹杨层积材和竹层积材的等湿降温应变测试结果
• 4.5.2 杨竹层积材杨木层积材的等湿温应变分析
• 4.5.2.1 杨竹层积材杨木层积材的等湿升温应变测试结果及分析
• 4.5.2.2 杨竹层积材杨木层积材的等湿降温应变测试结果及分析
• 4.5.3 结论
• 5 竹木复合材料湿热变形计算机模拟分析
• 5.1 软件操作
• 5.2 竹木复合层积材模拟基本数据的确定及转换
• 5.3 竹木复合层积材的等温等湿条件下的变形分析
• 5.3.1 竹杨层积材的等温等湿变形模拟分析
• 5.3.2 竹层积材的等温等湿变形模拟
• 5.3.3 杨木层积材的等温等湿变形模拟分析
• 5.3.4 杨竹层积材的等温等湿变形模拟分析
• 5.4 竹木复合层积材的等温变湿形变分析
• 5.4.1 竹杨层积材的等温变湿模拟分析
• 5.4.2 竹层积材的等温变湿分析
• 5.4.3 杨木层积材的等温变湿模拟分析
• 5.4.4 杨竹层积材的等温变湿模拟分析
• 5.5 竹木复合层积材的等湿变温形变分析
• 5.6 结论
• 6 总结论
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表的论文及科研情况
• 详细摘要