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ISBN: (纸本)9787562969228

关键词： 工业固废   城市污水   水化机理   ARIMA模型   碳排放  

摘要： 现如今在我国面临着大量工业固废堆积的问题,这些固废的利用率较低,也存在着对生态环境的潜在威胁。此外在我国部分地区还面临着缺乏对城市污水的妥善治理,导致大量污水得不到有效处理便直接排放到环境中,同样对生态环境造成威胁。因此,加强对工业固废的综合利用,提高污水资源的有效再利用对于促进各种废弃资源再利用和推动水泥产业向绿色、高质量发展具有重要意义。将这些废弃资源转化为建筑耗材是解决积存问题的主要途径之一,然而目前固废建材化过程中存在着固废利用率低、产品附加值不高以及城市污水对建筑材料存在负面影响等问题,这也限制了该领域的大规模发展。本研究以煤矸石、电石渣和脱硫石膏为原材料,制备出性能优良的全固废基胶凝材料（Solid waste-based cementing material,简称SWCM）。通过在胶凝材料制备胶砂试件过程中,利用城市污水部分或完全替代淡水资源的作用。通过检测SWCM物理力学性能、孔隙参数、水化进程、矿物组成、热重分析、分子结构特征和微观形貌分析探究了污水对SWCM水化产物以及水化机理的影响,并基于ARIMA模型对SWCM的水化性能进行预测。主要研究内容与结论如下: （1）以煤矸石、电石渣和脱硫石膏为原材料,经高温煅烧制备出全固废基胶凝材料,按照不同的污水引入方式制备出SWCM-FF、SWCM-FS、SWCM-SF和SWCM-SS四组胶砂试件,并对其进行力学性能和孔隙结构测试。首先通过与市售SAC和OPC相比,可以得出SWCM具有快凝快硬、早强、后期强度稳定、孔隙率低,孔径分布均匀和孔隙结构优良等特点。在水化前中期,四组胶砂试件的强度和孔隙率高低顺序为:SWCM-SS>SWCM-SF>SWCM-FS>SWCM-FF,这说明污水对SWCM在水化前中期的强度与孔隙结构起促进反应。但在水化的后期,四组胶砂试件强度比为:SWCM-SF>SWCM-FS>SWCM-FF>SWCM-SS,这说明长期大量接触污水中的有害离子会使试件出现强度降低和孔隙结构上缺陷的问题。 （2）通过分析SWCM水化产物的矿物组成、分子结构特征及微观形貌得知:SWCM-FF在不同水化龄期的水化产物主要是由AFt、AH3、C-A-S-H以及未水化的C4A3S?和C2S组成。随着污水的引入,污水中的Cl-会使C4A3S?的水化产物AFm反应生成Friedel盐;污水中的SO42-会使C4A3S?的水化产物AFm反应生成AFt。其中以AFm结合SO42-生成AFt为主要化学反应,因为Friedel盐只有在高氯环境下状态比较稳定,不易发生分解,而AFt在复合环境下更为稳定。因此SWCM-SS和SWCM-SF在水化前中期的钙矾石含量更高,发育更成熟,同样随着污水的掺入样品中也可检测到Friedel盐生成。在水化后期由于AFt微膨胀性以及结构疏松,SWCM-SS由于试件内部存在大量的AFt,导致试件内部出现裂缝。 （3）以不同试验条件下SWCM和OPC的水化放热参数为原始观测值序列,建立差分整合移动平均回归模型（ARIMA）。对原始观测值序列进行平稳性检验、自相关系数和偏自相关系数的计算等步骤,得出模型的相关参数以建立模型。并利用模型对SWCM和OPC在未来一段时间内的水化放热参数进行预测,预测值与试验值的平均相对误差皆小于5%,证明所建立的模型准确度高。 （4）对以全工业固废制备的SWCM进行全生命周期的碳排放计算与分析,分析结果显示,SWCM既减少了对天然资源的开采,有助于降低水泥生产业对环境的影响,也满足了当前市场对绿色建筑材料的需求。SWCM在其全生命周期碳排放量仅为OPC的55%。说明SWCM相较于OPC具有良好的低碳性能,这为水泥生产业提供了有效降低碳排放,实现“碳中和”生产的新途径。

关键词： 短纤维复合材料   细观力学   体素化网格   参数化建模   代表体积单元  

摘要： 短纤维复合材料是通过将短切纤维在基体材料中随机分布或定向排列而制备形成的,它在一定程度上弥补了层合板与树脂材料间的空白,满足了更加广泛的工程需求,提高了材料的生产效率。目前,短纤维增强体被应用于塑料、橡胶等高分子材料中以提高力学性能。与连续长纤维复合材料中的规律分布不同,短纤维复合材料具有更加复杂的微观结构。因此,快速准确地预测短纤维复合材料的等效模量及其与细观组分等因素的依赖关系对于短纤维复合材料的微结构设计和高效制备至关重要。 为此,本文以短纤维复合材料代表体积单元为研究对象,基于随机序列吸附方法建立了针对短纤维复合材料代表体积单元的几何模型参数化生成方法。在所建立的代表体积单元几何模型的基础上,针对周期性网格的剖分难题,构建了基于形函数插值的一般性周期性边界条件施加方法,确保模型周期性边界的位移连续性,从而获取更加真实的应力、应变计算结果。随后,将代表体积单元在典型载荷下的应力、应变结果均匀化获得复合材料的等效模量,并与理论模型的结果进行对比,建立了针对短纤维复合材料等效模量预测的有限元方法。最后,基于该方法分析代表体积单元细观组分对宏观等效模量的影响,计算结果表明等效模量随着纤维体分比、纤维长度、基体模量和纤维模量的增加而增加,但随着纤维半径的增加而减小。 针对基于四面体网格有限元模型中遇到的周期性边界条件施加困难、网格质量低的问题,建立了基于体素化网格的细观力学模型参数化生成和数值仿真方法。通过背景网格法对纤维、基体几何模型进行采样和捕捉,建立了基于标准六面体网格的体素化有限元模型。揭示了体素化背景网格尺寸与计算结果精度的关系,确定了消除网格相关性的体素化背景网格尺寸。对比基于体素化网格和四面体网格有限元模型的数值仿真及应力、应变均匀化计算结果,实现了体素化的有限元模型对短纤维复合材料等效模量的快速准确预测。计算结果表明,在保证与四面体网格有限元模型计算结果相对偏差小于5%的情况下,体素化的有限元模型计算时间可以缩短25%以上。 综上,本文分别建立了基于四面体网格和体素化网格的短纤维复合材料等效模量预测方法,结果对比表明基于四面体网格的有限元模型在计算结果局部细节呈现更具优势,而基于体素化网格的有限元模型在计算效率更具优势,两种方法的均匀化结果误差均在合理范围内。研究工作为短纤维复合材料等效模量的快速预测提供了可靠的计算方法,为短纤维复合材料的设计和制备提供了有价值的参考。

关键词： 梯度多孔结构   激光选区熔化   力学性能  

摘要： 梯度多孔结构在生物系统中普遍存在,研究学者们通过借助自然界中的生物结构,设计出具有高强度、吸声、吸能等特性的梯度多孔结构,与均质材料相比,这些梯度结构表现出良好的机械性能,被广泛应用航空航天、石油工程、环保工程、交通运输等领域。目前,对于梯度多孔结构的建模困难和研究较少等问题,如何设计梯度多孔结构以及掌握这种结构的力学规律,是目前面临的重要问题。本文以梯度多孔结构为研究对象,分别研究梯度参数值对径向梯度梁的力学性能的影响和梯度方向对同一构件力学性能的影响。本文的主要工作内容如下: (1)以径向梯度多孔圆柱梁结构为研究对象,分析梯度参数与相对密度关系,并结合Gibson-Ashby理论得出梯度参数对力学参数的耦合关系;提出一种利用COMSOL软件建立径向梯度梁结构的三维建模方法。 (2)利用Gibson-Ashby理论和圆柱高阶理论模型研究径向梯度圆截面梁结构的弯曲问题,讨论不同边界条件下梁的弯曲问题,并利用MATLAB软件求解了不同边界条件下梁的控制方程,得到了幂函数梯度参数大小对梁的挠度、应力和剪切力的影响。 (3)运用COMSOL软件绘制可控孔隙率梯度多孔结构模型,分别创建了关于点、线、面梯度的多孔结构,将其用SLM设备打印,并进行准静态压缩试验,试验结果发现梯度方向影响结构的强度和吸能效率;引入梯度模式的不同,多孔材料的破坏机制可以从脆性过渡到延性。为观察压缩过程中的内部受力,运用有限元模拟准静态压缩仿真,观察内部受力变化,通过有限元结果与试验对比,发现不同梯度模式的结构,内部受力均不相同,并且面梯度SG3模型出现负泊松比的现象。另外更改梯度参数,建立60%孔隙率的8种梯度多孔模型,并提取模拟中的应力-应变曲线,与压缩试验和70%孔隙率模型压缩仿真结果对比。

关键词： 聚苯硫醚   熔融颗粒制造   石墨烯纳米片   红外加热   退火  

摘要： 聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide,PPS)是一种半晶态热塑性聚合物,具有较高的机械强度及耐磨性,同时兼具耐高温(150℃)、耐化学腐蚀且高阻燃等特性,在航空航天、机械、电气等领域具有广泛的应用,被誉为“塑料黄金”。由于其在熔融状态下具有良好的流动性,近年来被用于熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)3D打印中,两者的结合展现出高材料成型自由度、低材料损耗和低技术门槛的优势,特别在小批量和定制化装备制造中表现出显著的优越性。 近年来,FDM迅速发展,其中熔融颗粒制造(Fused Granular Fabrication,FGF)这一基于FDM成型方法的3D打印技术引起了广泛关注。其耗材形式不同于FDM连续长丝,而是采用螺杆挤出机直接熔融挤出颗粒状耗材,进而使FGF 3D打印获得了更高的材料挤出速率(更高的成型效率),这令其在大幅面3D打印中占据了优势。然而,在更大尺寸的零部件及装备的打印过程中,材料挤出沉积时的熔料间温度梯度差异变大,使得FGF制件的层间力学强度远低于沉积平面方向。为提高FGF 3D打印大尺寸部件的层间力学性能,本文进行了下述研究内容: 采用了具有高导热系数的石墨烯纳米片(Graphene Nanoplatelets,GNP)作为增强体,与纯PPS颗粒料预混,再通过螺杆挤出机直接进行FGF 3D打印成型。通过差示扫描量热仪(Differential Scanning Calorimeter,DSC)和热重分析仪(Thermo Gravimetric Analysis,TGA),明确了不同质量分数的GNP/PPS的热物理性质。测定了不同GNP质量分数(0.01wt.%至0.07wt.%)对PPS抗弯力学性能的影响。试验数据表明,0.05wt.%的GNP/PPS的力学性能表现最佳,混合后的复合材料获得了更高的结晶度,证明了GNP能改善基体的沉积层间力学性能。通过超景深显微镜,观察表面抛光后的PPS样件截面的GNP分布状况,得出适量的GNP可以改善并提升整体结构的稳定性的作用。 扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)观察发现FGF沉积成型的PPS单层挤出物内存在较多的孔隙。为提高单层挤出材料的力学性能,在接下来的试验中,采用了短碳纤维增强聚苯硫醚(Carbon Fiber reinforced Polyphenylene Sulfide,CF-PPS),测定了纯CF-PPS及GNP/CF-PPS的FGF 3D打印试样的抗弯性能,及其在200℃以上高温极端环境下的力学性能变化趋势。试验数据表明,在260℃高温处理24小时后,CF-PPS力学性能仍然能保持在其室温下即时打印件的82%,证明了FGF成型CF-PPS具有在极端高温环境下稳定服役的能力。进一步的,0.03wt.%GNP/CF-PPS室温下的抗弯强度相较于CF-PPS提升了7.7%,同时,其在高温环境下力学性能下降幅度也小于同时间下的CF-PPS试样。 因GNP具有优异的导热性,故在FGF 3D打印过程中加入了红外加热灯,同时,增加了恒温退火后处理步骤,将FGF成型材料放入热烘箱进行200℃(略高于PPS玻璃转化温度)4.5小时的后处理,强化成型件的层间结合质量。经过力学试验测试,发现在对FGF成型样件同时进行红外加热及退火后处理时,所制备GNP/CF-PPS的抗弯性能提升最为明显(例如,抗弯强度提高超过30%)。通过SEM进行断口微观表征后,发现经过双重热处理的制件的层间结合较普通FGF打印样件更为紧密。基于DSC曲线计算得出的试样结晶度结果表明,热处理后的试样结晶度提高超过10%,该性能提升可以归因于,GNP的混入使得FGF成型PPS复材内部的导热性显著提高,进而提升PPS的力学性能。为了验证以上分析,进一步对FGF材料沉积过程进行了热力耦合有限元仿真建模。通过设定不同的沉积材料单元表面热通量,证明了打印过程中的红外加热表面处理能有效减小沉积材料层间的温度梯度,进而提高沉积层间结合质量。通过设定不同的材料热导率(即混入GNP增强体的耗材具有更高的热导率),证明了沉积材料层间热残余应力与沉积材料热导率(即GNP增强与否)具有直接关联,较高的热导率将有效减少沉积层间热残余应力,继而验证了GNP对于FGF成型CF-PPS抗弯性能的增益性。 综上所述,本文研究了FGF成型PPS的抗弯力学性能,并认为较高的抗弯性能代表了成型PPS具有更好的层间结合质量。相关试验及数值仿真分析表明,将颗粒耗材预混入GNP纳米增强体,引入短切碳纤维至PPS树脂(并混入GNP),以及对FGF成型材料进行红外加热表面强化及恒温热退火后处理,都能够有效地提高成型件的抗弯力学性能,实现更优