碳纤维论文

碳纤维论文

高性能纤维性能分析【摘要】分析了碳纤维、超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑 (POB)纤维和 M5 纤维等高性能纤维的重要特性以及它们的应用状况。 【关键词】高性能纤维;先进复合材料;分子结构;重要特性;应用 [中图分类号]TS102，528 [文献标识码]A [文章编号]1002-3348（2005）01-0054-04 高性能纤维 (High-Performance Fibers)是从 20 世纪 60 年代开始研发并推广的纤维材 料， 它的出现使传统纺织工业产生了巨大变革。 所谓高性能纤维是指有高的拉伸强度和压缩 3 强度、耐磨擦、高的耐破坏力、低比重(g/m )等优良物性的纤维材料，它是近年来纤维高分 子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。 高性能纤维可用于防弹服、 蹦床布等特种织物的加 工及纤维复合材料中的加固材料，其发展涉及许多不同的领域。本文分析和比较了碳纤维、 超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维、M5 纤维等高性能 纤维的特性以及它们的应用状况。 1 高性能纤维 1·1 高性能纤维分类 无机纤维:碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等。 有机纤维:超高强聚乙烯纤维(HPPE)、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO) 纤维、M5 纤维等。 1·2 碳纤维 碳纤维的生产始于 20 世纪 60 年代末 70 年代初， 由有机纤维如腈纶(PAN)纤维、 粘胶纤 维或沥青纤维经预氧化、 炭化和石墨化加工而成。 碳纤维的石墨六方晶体结构决定了其强度 大、模量高等优良性能，如日本东丽公司生产的 T-400 碳纤维，拉伸强度可达 ，断 裂伸长率为 。碳纤维不燃烧，化学性能稳定，不受酸、盐等溶媒侵蚀。 1·3 超高强聚乙烯纤维 高强高模聚乙烯在 20 世纪 70 年代出现， 具有超高分子量， 高取向度， 且分子间距很近， 3 使纤维具备高强高模的特征， 其密度具有 ， 是唯--能浮在水面上的高强高模纤维。 除此之外，其他机械性能亦比较突出，如良好的韧性和耐疲劳性能，耐高速冲击性等。 1·4 芳香族聚酰胺纤维 20 世纪 70 年代，人们开始从事液晶态纺丝技术的研究，用于纺制高性能纤维，与普通 纺丝的分子结构截然不同，液晶态纺丝时形成的分子链只有刚棒状高取向的有序结构。 图 1 液态高聚物分子的构型示意图 (a)为典型普通大分子，为无规则线团;(b)为刚性大分子， 在没有良好侧向作用和导向情况下的状态;(c)为无规的棒状 液晶;(d)为向列型液晶 芳香族聚酰胺是最为人所熟知的，通过液晶纺丝纺制的高性能纤维，如 Kevlar(聚对苯 二甲酰对苯二胺纤维)、 Twaron(聚对苯二甲酰间苯二胺纤维)、 Technora(聚对苯二甲酰对苯 二胺纤维)等，如图 3 所示，为芳香族聚酰胺高结晶和高取向分子结构。这类纤维性能比较 均衡，具有高强伸性能， 高韧性、耐腐蚀、耐冲击、较好的热稳定性，不导电，除了强酸和强碱外，具有较强的抗化 学性能。 图 3 芳香族聚酰胺晶体结构图 聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维 1998 年国际产业纤维展览会上，日本东洋纺展出了商品名为 Zylon 的 PBO 纤维，其化 学名为聚对苯撑苯并双恶唑，化学结构为: 1·5 PBO 纤维采用液晶纺丝法纺丝，由苯环和苯杂环组成的刚棒状分子结构以及分子链的高 取向度， 决定了它的优良性能。 PBO 初纺普通丝(AS 丝-标准型)就具有 以上的强度 和 以上弹性模量， 经热处理后可得到强度不变、 模量达 的高模量丝 (HM 丝-高模量型)。PBO 作为一种新型高性能纤维，具有高强度、高模量、耐热性、阻燃性 4 大特点，其强度与模量相当于 Kevlar (凯夫拉)的 2 倍，限氧指数(L01)为 68，热分解温 度高达 650℃，在有机纤维中为最高，被认为是目前具有最高耐热性能的有机材料之一。 表 1 PBO 纤维的性能 性能 PBO 一 AS PBO—HM 密度(g/cm3) 抗拉强度(GPa) 拉伸模量(GPa) 180 280 断裂延伸率(%) 热分解温度(℃) 650 650 L01(%) 68 68 表 2 PBO 纤维与其他纤维的主要性能比较 性能 PBO-HM Kevlar-49 宇航级碳纤维 密度(g/cm ) 纤维直径(?m) 抗拉强度(Gpa) 拉伸模量(CPa) 断裂延伸率(%) 3 24 280 12 115 6 230 热分解温度(℃) 650 550 一 1·6 M5 纤维 PBO 纤维推出的几年后，阿克卓·诺贝尔(Akzo Nobel)公司开发了一种新型液晶芳族杂 环聚合物:聚[2,5-二烃基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑]，简称 "M5"或 PlPD，化学结构为: M5 纤维的结构与 PBO 分子相似——刚棒结构。 M5 分子链的方向上存在大量的-OH 和-NH 在 基团，容易形成强的氢键。如图 4 所示，与芳香族聚酰胺晶体结构不同，M5 在分子内与分 子间都有氢键存在，形成了氢键结合网络。 图 4 为 M5 纤维沿分子链轴方向的晶体结构，虚线为氢键。 图 4 M5 晶体结构 比较图 3 与图 4 可以清楚地看出，M5 大分子所形成的双向氢键结合的网络，类似一个 蜂窝。这种结构加固了分子链间的横向作用，使 M5 纤维具有良好的压缩与剪切特性，压缩 和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最。 2 高性能纤维特性分析比较 碳纤维石墨层面上碳-碳共价交键的存在，使作用于碳纤维上的应力，从一个石墨层转 移到相邻层面， 这些共价交键保证了碳纤维具有高的拉伸模量和压缩强度。 但这些共价键为 纯弹性键，一旦被打破，不可复原，即不显示任何屈服行为。所以碳纤维受力时，应力-应 变曲线是线性关系，纤维断裂是突然发生的。 有机纤维的性能取决于分子结构、分子链内键及分子链间结合键。如前所述，超高强聚 乙烯纤维、PBO 纤维都具有优良的性能，但由于超高强聚乙烯纤维大分子链间的结合键为弱 的范德华键，使其纤维易产生蠕变，压缩强力较低，另外超高强聚乙烯纤维耐热性和表面粘 合性有限，因而不适合用作加固纤维。而 PBO 纤维也因大分子链间没有形成氢键结合、作用 力较弱，使得其压缩和扭曲性能较低，加之纤维表面惰性强，与树脂的结合能力较差，在复 合材料成型过程中，有明显的界面层，从而影响也限制了 PBO 的应用。 芳香族聚酰胺纤维高结晶度、高取向度的分子结构，使其具有高强伸性能，也是由于大 分子链间弱的作用力 (范德华键)，造成大分子链间剪切模量及压缩强度低。芳香族聚酰胺 纤维由氢键结合成的薄片状结构在受压缩载荷作用时易塑性变形， 薄片相对容易断开， 在严 重过载时会出现原纤化，最终导致压缩失效。 分子链间结合键以 M5 比较理想， M5 大分子间和大分子内的 N-H-O 和 O-H-N 的双向氢 在 键结构，是其具有高抗压性能的原因所在，热处理后的 M5 纤维，拉伸模量可达 360GPa，拉 伸强度超过 4GPa，剪切模量和抗压强度可达 7GPa 和 。此外 M5 而大分子链上含有羟 基，使它与树脂基体的粘结性能优良，采用 M5 纤维加工复合材料产品时，无需添加任何特 殊的粘合促进剂，且具有优良的耐冲击和耐破坏性。有资料显示，以 M5 为加固纤维的复合 材料，在压缩过载的情况下，测试样品仍能继续承受显著的(压缩)载荷，与之相比，碳纤复 合材料会粉碎，而芳香族聚酰胺复合材料则会被挤成纤丝状薄片(原纤化)。如图 5、图 6 分 别为一个碳纤维和一个 MS 纤维复合材料的失效测试条，显示了脆性与韧性失效之间的明显 差异。此外，M5 纤维的刚棒结构又决定了它有高的耐热性和高的热稳定性，空气中热分解 温度达到了 530℃，超过了芳香族聚酰胺纤维，与 PBO 接近，极限氧指数（LOI）为 59，在 阻燃性方面也优于芳纶。 图 5 碳纤维复合材料测试条的失败 图 6 M5 纤维料测试条的失败 表 1 为几种高性能纤维力学及物理特性。 表 1 高性能纤维的力学和物理特性 特性 高 强 度 超高强聚 高 模 量 芳 香 族 高 模 量 高模量 M5 纤 碳纤维 乙烯纤维 聚酰胺纤维 PBO 纤维 维（实验值） 抗拉强度(GPa) 伸长率(%) 拉伸模量(GPa) 压缩强度(GPa) 压缩应变(%) 密度(克/cm ) 标准回潮率(%) 限氧指数（LOI） 3 230 一 一 一 一 一 115 29 280 68 330 59 空气中热老化起 800 150 450 550 530 始温度(℃) 从表 1 看，M5 纤维的各种性能指标都接近或超过其它高性能纤维，为综合性能优良的 高性能纤维。 3 应用与前景 目前超高强聚乙烯纤维的应用主要是加工防弹用特种织物、防弹板、渔业用绳网、极低 温绝缘材料、混凝土补强加固用试验片材、光缆补强材料、降落伞绳带、汽车保险杠等。芳 香族聚酰胺纤维常见的品种 Kevlar、Twaron、Technora 纤维等，主要应用有作为复合材料 的增强体、渔业工业等用绳网、防弹服、防弹板、头盔、混凝土补强材料等。碳纤维的优良 特性使其广泛用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料，应用于宇宙机械、电波望远镜 和各种成型品，还有直升飞机的叶片、飞机刹车片和绝热材料、密封填料和滤材、电磁波屏 蔽材料、防静电材料、医学材料等。PBO 纤维从问世以来就受到人们的关注，其应用主要有 防冲击方面的加固补强材料、复合材料中的加固材料，用于防护的防弹服、防弹头盔、消防 服、高性能及耐高温传动带、轮胎帘子线、光纤电缆承载部分、架桥用缆绳、耐热垫材等。 与各种高性能纤维相比，M5 纤维的综合性能更优越，这使得它的应用领域更广泛。尤 其是 M5 纤维的抗冲击力和耐破坏性，使它在制造经济、高效的结构材料方面有广阔的应用 前景，如应用于航空航天等高科技领域，在高性能纤维增强复合材料中 M5 也具有很强的竞 争力。当前 M5 纤维的研究比较活跃，随着研究的深人，其性能和应用将得到不断的提高和 拓展。 高性能纤维的不断创新是高性能产业用纺织品及复合材料用纤维领域的重要进步， 随着 世界高新技术、纤维合成与纺丝工艺的发展，以及军事、航空航天、海洋开发、产业应用的 迫切需要，高性能纤维的开发与应用前景将更为广阔。新型高性能纤维M5的研究与应用摘要:本文介绍了一种新型液晶芳族杂环聚合物,聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2,6-diimidazo(4,5-b:4',5'-e)pyridinylene-1,4(2,5-dihydroxy)phenylen],PIPD}纤维(简称M5).简述了M5纤维的制作方法,M5纤维特殊的分子结构特征,并通过与其它高性能纤维的比较,阐述了M5纤维优良的性能,特别是其良好的压缩与剪切特性.除此之外,M5纤维的高极性还使其更容易与各种树脂基体粘接,这使M5纤维的综合机械性能比目前其它高性能纤维都好.文中还展望了M5纤维的应用前景.前言近年来,随着对有机高性能纤维的不断深入研究,在刚性高性能纤维领域已经取得了很大的进展.但大多数高性能纤维,因分子间结合力的薄弱而导致某些力学性能上的不足,如PBO纤维大分子链间较弱的结合力,使其压缩和扭曲性能较差.纤维材料的压缩性能,主要取决于纤维大分子之间的相互作用程度[1,2].通常纤维扭转模量可作维表征大分子之间相互作用程度的一个量度.因此,如何增强大分子链之间的相互作用,已成为进一步强化刚性聚合物纤维力学性能的一个重要问题.作为Akzo-Nobel实验室的研究成果,一种新型的高性能纤维,即著称的M5已经被研究出来.聚合物是聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2,6-diimidazo(4,5-b:4',5'-e)pyridinylene-1,4(2,5-dihydroxy)phenylen],PIPD}纤维(简称M5)[3].由于M5纤维沿纤维径向即大分子之间存在特殊的氢键网络结构,所以M5纤维不仅具有类似PBO纤维的优异抗张性能,而且还显示出优于PBO纤维的抗压缩性能.1高性能纤维 单体的选择及M5的合成[4]在M5聚合物的制备过程中,其关键步骤是单体2,3,5,6-四氨基吡啶(2,3,5,6-tertraaminopyridine,TAP))的合成.TAP可由2,6-二氨基吡啶(2,6diaminopyridine,DAP)经硝化还原后制成,反应方程式如下所示:在M5的合成过程中,TAP需经盐酸化处理并以盐酸盐形式参与聚合反应.若TAP直接以磷酸盐的形式参与反应,不但可以避免盐酸腐蚀作用,还可以加快聚合反应速度,但却易发生氧化作用.另一单体2,5-二羟基对苯二甲酸(2,5-Dihydroxyterephthalicacid,DHTA)的合成也是制备M5聚合物的重要环节,可由2,5-二羟基对苯二甲酸二甲酯(2,5-dihydroxy-1,4-dimethylterephthalate,DDTA)水解后制得,反应方程式如下所示:M5纤维的聚合过程与聚对苯撑苯并二恶唑(poly(p-phenylenebenzobisoxazole),PBO)相似,可将TAP和DHTA两种单体按一定的等当比同时加入到聚合介质多聚磷酸(polyphosphoric acid,PPA)中,脱除HCI后逐渐升温至180℃,反应24h,得到M5聚合物,反应方程式如下所示:2 M5的分子结构特征及聚合物的聚集态结构 M5的分子结构特征M5纤维在分子链的方向上存在着大量的-OH和-NH基团,容易在分子间和分子内形成强烈的氢键.因此,其压缩和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最.M5纤维的刚棒状分子结构特点决定了M5纤维具有较高的耐热性.由于M5大分子链上含有羟基,M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接.图1热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图[5].图2热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图[5].图1和图2都显示了热处理后PIPD纤维的微观二维结构,即在大分子间和大分子内分别形成了N-H-O和O-H-N的氢键结构,这种双向氢键的网络结构正是M5纤维具有高抗压缩性能的原因在.图1 热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图图2 热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图 M5的聚集态结构图3 PIPD-AS沿C轴方向的分子结构示意图如图3所示,为含有21%左右水分子的PIPD-AS纤维的结晶结构.由于PIPD-AS纤维中存在着大量的水,因而使得PIPD-AS纤维有很大的质量热容,而且具有良好的耐燃性能.表2和表3所列出的实验结果也证实了这一结论[16,19].如图4所示,为不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图[16].从图4可以看出,PIPD-AS纤维在热处理过程中晶体中的水分被脱出,变成无水聚合物晶体,从而在垂直于纤维方向的平面内形成二维氢键网状结构.有实验表明,经过热处理后PIPD纤维的结晶度和取向度都有很大的提高.图4 不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图Klop EA等[22]通过PIPD晶体结构的X射线衍射实验研究发现,因PIPD试样的处理温度不同,在PIPD的分子内部可出现不同形式的结晶结构—单斜结晶晶胞和三斜结晶晶胞(如图5和图6所示).单斜和三斜的晶胞参数分别为:单斜结晶: a= ,b= ,c= ,=90°,=107°,=90°三斜结晶:a= ,b= ,c= ,=84,=110°,=107°Takahashi等[20,21]采用中子方法测得的PIPD-HT晶胞参数为:a= ,b= ,c= ,=84°,=°,空间结构为P21/,单斜晶胞区别于三斜晶胞的不同之处在于,三斜晶胞的氢键网络结构仅仅是靠沿对角线平面的大分子连接的,而单斜晶胞可在垂直于纤维方向的平面内形成了二维氢键网络结构,显然这种二维氢键网络结构,使得M5具有其它高性能纤维所无法比拟的高剪切强度,剪切模量和压缩强度.图5 PIPD单斜晶胞在ab面和ac面上的投影 图6 PIPD三斜晶胞在ab面上的投影3 M5纤维的纺丝工艺[9,16] M5纤维的成形M5纤维的纺丝是将质量分数为18~20%左右的PIPD/PPA纺丝浆液(聚合物的MW为×104~×105)进行干喷湿纺,空气层的高度为5-15cm,纺丝温度为180℃,以水或多聚磷酸水溶液为凝固剂,可制成PIPD的初生纤维.其中,实验用喷丝孔直径范围为65-200 m,喷头拉伸比取决于喷丝空的直径,可达70倍,所得纤维直径为8-14 m.所得M5的初生纤维需在热水中进行水洗,以除去附着在纤维表面的溶剂PPA,并进行干燥.图7 M5纤维的热处理示意图 M5纤维的热处理为了进一步提高初生纤维取向度和模量,对初生纤维在一定的预张力下进行热处理,如图7所示.在这一过程中,M5纤维取向度将伴随着由其分子结构的改变引起的剪切模量的增加而增大.对M5初生纤维进行热处理能够改善纤维的微观结构,从而提高纤维的综合性能.M5初生纤维再进一步用热水洗涤除去残留的多聚磷酸水溶液(PPA)和干燥后,在氮气环境下于400℃以上进行大约20s的定张力热处理,最终可得到高强度,高模量的M5纤维.在此需要特别指出的是,如果热处理温度过低或处理时间过短,则PIPD-AS和PIPD-HT的转变是可逆的.因此,热处理温度与热处理时间对M5纤维的模量影响很大.4 M5纤维的性能 力学性能图8 PIPD-AS和PIPD-HT纤维的应力-应变曲线图如图8所示,热处理后的PIPD纤维同PIPD的初生纤维相比较,二者的力学性能截然不同,PIPD-AS纤维存在屈服,而PIPD-HT纤维不存在这种现象.Lammwers M[18]等研究发现,经过200℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的提高到,而经过400℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的提高到.显然对于PIPD的初生纤维来讲,并非热处理温度越高越好.通过用偏光显微镜观察发现:在400℃热处理的纤维中存在裂纹,这可能是导致压缩强度下降的原因,因此,热处理温度不宜太高.表1[9-14]给出了几种高性能纤维的力学性能和其它性能的对比数据,其中的力学性能包括拉伸强度,断裂伸长,模量以及抗压缩强度等.与其它3种纤维相比,M5的抗断裂强度稍低于PBO,远远高于芳纶(PPTA)和碳纤维,其断后延伸率为;与其它高性能纤维相比,M5纤维的模量是最高的,达到了350GPa;M5的压缩强度低于碳纤维,但却远远高于Twaron-HM纤维和PBO纤维,这归因于M5的二维分子结构[17].表1 M5纤维与其它高性能纤维的比较纤维拉伸强独/Gpa断裂伸长/%初始模量/ Gpa压缩强度/ Gpa压缩应变/ %密度/()回潮率/%纤维空气中的热稳定性/℃LOI/%电导性抗冲击性抗破坏性编制性能耐紫外性Twaron-HM45029-++++-C-HS800N/A++------++PBO55068-++N/A+/---M5530>50-+++++++M5纤维特殊的分子结构,使其除具有高强和高模外,还具有良好的压缩与剪切特性,剪切模量和压缩强度分别可达7GPa和,优于PBO纤维和芳香族聚酰胺纤维,在目前所有聚合物纤维中最高.图9 M5纤维的轴向压缩SEM图一般来讲,当高性能纤维受到来自外界的轴向压缩力时,其纤维内部的分子链取向会因轴向压缩力的存在而发生改变,即沿着纤维轴向出现变形带结构.而对M5纤维来讲只有当这种轴向压缩力很大时才会出现这种结构[11].如图9所示,当M5纤维受到外界的轴向压缩力时,压缩变形后的M5纤维中也会出现一条变形带结构,但与其它高性能纤维(如PBO)相比较,M5纤维的变形程度要小很多. 阻燃性能表2 PIPD-AS和PIPD-HT纤维耐燃性能的重要参数[5]试样PHRR①(kWm-2)TTI②(s)SEA③FPI④(sm2kW-1)残留量(%)注:①热量释放最大速率(PHRR);②引燃时间(TTI);③比消光面积(SEA);④耐燃性能指数(FPI)表2所列数据是热量计热流为75kW/m2时测得的,也就是在试样表面温度为890℃左右时测得的值.纤维试样放在一块1cm2的线网上.试样原始重量在之间.从表2可以看出,PIPD-AS纤维热量释放最大速率(PHRR)为,也就是说单位时间内PIPD-AS释放出最小的热量,与其它高聚物相比是一种较好的阻燃剂用材料.PIPD-AS纤维的点燃时间最长为77s,远高于Nomex纤维.SEA是用来衡量单位物质燃烧时产生的烟雾量,PIPD-AS纤维达到了224m3/kg,而Nomex纤维为38670m3/kg,二者相比PIPD-AS纤维的SEA值远低于Nomex纤维,说明PIPD-AS纤维燃烧时产生的烟雾量要远少于Nomex纤维.同表2中的其它高聚物相比,PIPD-AS纤维的耐燃性能指数(FPI)最高为.从表2中各项耐燃性能参数可以看出PIPD纤维在耐燃性方面,要好于其它高性能纤维,即PIPD纤维在耐燃性方面将具有较好多应用前景.M5纤维的刚棒状分子结构决定了它具有较高的耐热性和热稳定性.从表2中可以看出,PIPD-HT纤维具有与聚对苯亚基苯并双嗯哇(PBO)纤维相似的FPI值,但它在燃烧过程中更不容易产生烟.M5在空气中的热分解温度为530℃,超过了芳香族聚酰胺纤维,与PBO纤维接近.M5纤维的极限氧指数(LOI)值超过50,不熔融,不燃烧,具有良好的耐热性和稳定性[7]. 界面粘合性能与PBO,聚乙烯或芳香族聚酰胺纤维相比,由于M5大分子链上含有羟基,M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接.采用M5纤维加工复合材料产品时,无需添加任何特殊的粘合促进剂.M5纤维在与各种环氧树脂,不饱和聚酯和乙烯基树脂复合成形过程中,不会出现界面层,且具有优良的耐冲击和耐破坏性[6,8]. 热力学性能图10 四种不同含水量M5纤维的DSC扫描图图10为[19]等用SetaramC80D热量计测得的四种不同含水量M5纤维的DSC谱图.研究发现将1g试样材料放在一个开放的测试槽内,以℃/min的速度,在30℃-200℃范围内得到一张扫描图,如图5所示.从DSC谱图可以看出,四种不同含水量M5纤维的吸热峰面积及位置与开放测试槽内水分的蒸发有关.从表3可以看出,含有结晶水的M5初生纤维的热吸收值与不含结晶水的M5纤维的热吸收值之间存在着较大的差别,而PIPD初生纤维和PIPD HT试样的热吸收值之间几乎没有什么差别.通过以上研究发现完全干燥的PIPD初生纤维的晶体结构与PIPD-HT试样结构类似.表3 不同含水量的PIPD纤维的热吸收值试样热吸收值(J/g)PIPD初生纤维(含水量20%)637PIPD初生纤维(干燥)163PIPD HT(含水量7%)378PIPD HT(干燥)1855 应用及展望作为一种先进复合材料的增强材料,M5纤维具有许多其它有机高性能纤维不具备的特性,这使得M5纤维在许多尖端科研领域具有更加广阔的应用前景;M5纤维可用于航空航天等高科技领域;用于国防领域如制造防弹材料;用于制造运动器材如网球拍,赛艇等.M5纤维特殊的分子结构决定了其具有许多高性能纤维所无法比拟的优良的力学性能和粘合性能,使它在高性能纤维增强复合材料领域中具有很强的竞争力.与碳纤维相比,M5纤维不仅具有与其相似的力学性能,而且M5纤维还具有碳纤维所不具有的高电阻特性,这使得M5纤维可在碳纤维不太适用的领域发挥作用,如电子行业.由于M5大分子链上含有羟基,M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接.正是由于M5纤维具有许多其他高性能纤维所无法比拟的性能和更加广阔的应用前景,这使得众多的科研工作者都积极地致力于M5纤维的研究.相信在不久的将来,随着对M5纤维研究的进一步深入,作为新一代的有机高性能纤维—M5纤维必将得更加广泛的应用.

在项目建设中,材料的选择直接影响着工程造价,尤其是新型建筑材料的投入往往会使工程造价大幅度增减。下面是我为大家整理的材料工程 毕业 论文，供大家参考。

材料工程毕业论文 范文 一：金属材料工程专业实践教学研究

摘要：通过对实践教学在新形势下的重要性及意义进行阐述，结合沈阳化工大学的发展定位，以化工行业为依托，对金属材料工程专业实践教学模式进行改革，优化专业课程的实践教学，加强校企合作，强化实践教学的管理，构建了完善的金属材料工程专业实践教学体系，努力培养学生创新能力，使其成为高素质应用型人才。

关键词：金属材料工程;实践教学;教学改革;人才培养

沈阳化工大学金属材料工程专业是应社会经济发展需求，尤其是化工行业建设的需求，在原金工教研室师资力量和实验设备条件的基础上，经过充分的论证、申请，于2006年国家教委批准，开始面向全国招生，同年获批材料学硕士学位授予权。在专业建设中，充分发挥化工大学化工行业特色优势及高素质专业教师队伍的优势，不断改革完善培养方案、培养模式，逐步形成了立足行业、与辽宁工业产业紧密衔接、全方位实践创新能力培养的专业特色，专业定位符合本校办学定位和发展方向，已纳入本校专业建设规划并进行重点建设，成效显著。在2013年辽宁省普通高等学校本科专业综合评价中，全省九所学校金属材料工程专业参评，沈阳化工大学的金属材料工程专业排名第二。实践教学是培养本科生理论联系实际，也是培养本科生创新意识和创新能力的主要途径[1]。但近年来，在市场经济的影响下，许多生产企业以影响生产和安全为由不愿接待本科生实习，同时，本科生实习的积极性也不高，导致实习效果不尽如人意。

1金属材料工程专业实践教学的现状

当前我国普通院校本科生 教育 普遍存在的一个突出问题是本科生创新意识差和创新能力不足，动手能力较很弱，难以适应激烈的市场竞争和知识经济的快速发展的需要[2]。而实践教学是培养本科生综合素质，提高本科生解决实际问题的能力，以及促使本科生将所学的理论知识向实际技能转化的环节。通过实践教学可以巩固、加深本科生对所学的理论知识的理解，并能够培养本科生严肃认真的科学态度[3]。高等学校中的传统的金属材料工程专业实践教学通常具有如下特点：首先，本科生实验教学内容主要以演示性、验证性实验居多，综合性实验和设计性实验相对较少，实验教学多以模仿为主，创新内容涉及较少。其次，部分本科生的课程设计和毕业设计与实际生产相脱节，影响本科生的就业竞争力。最后，由于受到现实条件的限制，目前的本科生生产实习和毕业实习主要采取到相关企业生产现场进行观摩教学的方式，大多数本科生很难彻底认识企业生产的组织和实施过程。实践教学环节存在的这些问题制约着本科生创新能力的提高[4]，为培养二十一世纪合格的金属材料专业人才，沈阳化工大学金属材料工程专业近年来对金属材料工程专业实践教学体系进行了一系列改革，形成了稳定而有效的实践性教学体系。

2专业课程实验的优化

为培养二十一世纪化工行业合格的金属材料工程专业人才，自2006年以来，沈阳化工大学金属材料工程专业对实验教学内容统筹规划、整体安排。经过几年的改革和实践，建立了具有化工行业特点及金属材料工程专业特色、科学合理的实验教学内容，结合沈阳化工大学的化工特色，针对化工单元设备的主要加工 方法 ，如压力加工、焊接、机械加工及化工单元设备的腐蚀问题。强化金属塑性加工原理、焊接冶金学、焊接工艺与设备、金属腐蚀与防护、金属热处理和材料无损检测等主要专业课程。这些主要专业课程均设置有实验内容，同时优化了验证性实验，增加了综合性和设计性实验的数量，使本科生动手能力得到提高。巩固科研教学资源化的成果，进一步完善校内实践实训基地的建设，创造学生动手操作的条件，培养学生的工程实践能力。此外，金属材料工程专业每年投入一定的资金对现有实验设备进行改造，更新部分专业实验，增加创新性实验硬件条件，增加开放实验室公用设备的种类及台套数。进一步开放实验室，一周至少两天全天开放实验室，保证本科生根据需要自主进行实验。

3加强校企合作，强化实习管理

原有认识实习、生产实习、毕业实习的企业很多设备比较陈旧，几乎没有先进的设备和技术，实习效果大打折扣，为此，近年来金属材料工程专业增加个性化实习，采用校企合作，结合学生的 兴趣 爱好 、就业方向、教师的科研课题以及就业单位的培训等等，分别送学生到企业去学习实践，为方便学生到企业实习，金属材料工程专业先后建立了与沈阳铸锻工业有限公司、富奥辽宁汽车弹簧有限公司、抚顺机械设备制造有限公司等十余家企业的实习基地。通过实习基地，加强了与相关企事业单位的合作，利用其设备开展金属材料工程专业的实践教学，结合企业实际进行企业课程教学、现场教学和案例教学，这样也促使本科生了解金属材料及其相关材料最新的科技发展动态，使本科生具有分析和解决生产中的实际问题的能力。对于本科生毕业论文和设计结合企业实际项目或在实践教育基地、企业开展，校内校外指导教师共同指导，以强化学生综合运用所学知识进行独立分析问题和解决问题的能力。为保证实习效果，加强本科生对实习的重视，金属材料工程专业主任及全体实习指导教师参加实习动员，强调实习过程安全问题，明确每次实习的集合时间、地点、着装和注意事项等。在实习期间，每到一个车间，先请车间主任介绍该车间的典型设备和工艺流程，使本科生在参观前对参观内容有大概了解。实习成绩评定主要依据实习期间的出勤、纪律、实习笔记、 实习 报告 等。通过各方的努力，大大增强了本科生实习的主动性。

4开展创新活动，推进实践教学

鼓励本科生积极开展多样化的科技创新活动[4-5]，例如参加教师的科研项目以及各类大学生竞赛等。通过组织各种类型、各种形式和不同层次的课外活动，将各类工程实践活动、创新实践训练、学科竞赛活动、学术前沿讲座、 社会实践 、公益活动等课外活动作为第二课堂课程模块纳入到课程体系中统一实施和管理。近年来，金属材料工程专业参赛学生项目获第三届全国机械创新设计大赛国家二等奖一项;“第十一届挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛国家三等奖一项;2011年、2013年分别获全国大学生英语竞赛三等奖、二等奖各一项;省级奖项几十多项。通过创新竞赛的开展，培养了学生的创新能力，同时也提高了教师指导学生创新的积极性，活跃了创新教育的氛围，为金属材料工程专业学生的个性发展提供平台，为学生毕业后从事科学研究活动奠定了一定的基础。

5结论

当今，素质教育快速发展[6-7]，金属材料在化工行业中占有举足轻重的地位，为培养二十一世纪化工行业合格的金属材料专业人才的需要，我们将继续优化实践课程建设，建设具有化工行业特点及金属材料工程专业特色、科学合理的实践教学内容，努力培养学生创新能力，使其毕业后能在化工企业、高等学校或科研院所从事金属材料及金属基复合材料的研究、成分-工艺及设备设计、组织和性能检验、生产制造、技术开发和经营管理等方面工作的高素质应用型人才。

参考文献

[1]胡宗智，吴敏，王燕，等.依托地域优势开展金属材料工程专业生产实习的创新实践[J].中国电力教育，2011(2)：129-130.

[2]甄睿，蔡璐.应用型本科院校金属材料工程专业人才培养和教学改革的思考[J].南京工程学院学报：社会科学版，2009，9(4)：65-68.

[3]胡宗智，邹隽，孙小华，等.金属材料工程专业创新型人才培养实践教学体系研究[J].中国电力教育，2013(26)：98-99.

[4]王荣，杨爱民，张骁勇，等.关于我校金属材料工程专业建设的思考[J]. 人力资源管理 ，2010(1)：46.

[5]王生朝，蔡素莉，高泽平，等.金属材料工程专业实践性教学改革研究[J].湖南工业大学学报，2011(5)98-101.

[6]孙建春，陈登明.金属材料工程专业实习教学的改革实践[J].中国冶金教育，2009(4)55-57，60.

[7]孙小华，胡宗智，黄才华，等.金属材料专业综合实验教学改革与实践[J].中国电力教育，2013(14)118-119.

材料工程毕业论文范文二：高分子材料工程硕士创新实验能力培养

摘要：

结合国内外的工程硕士教学现状，通过分析国内工程硕士的课题研究方向和企业需要解决的问题存在脱轨现象、上理论课时间不足等问题，在借助于国外先进 经验 的基础上，提出了双导师制、灵活培养模式，确保创新实验能力培养的效果，为企业培养“留得住，用得上”的高分子材料工程实践实力和创新能力的应用型高级人才。通过对工程硕士创新实验能力培养模式的实践与探索，使工程硕士研究生在理论知识和动手能力及 创新思维 积累方面得到一定的提高。

关键词：工程硕士;创新实验能力;培养模式

研究生培养作为高校培养人才的重要一环，其培养模式的探索与研究一直都受到高度重视[1，2]。在我国经济体制转型期，高层次复合人才在传统工矿企业和工程建设部门需求非常大，国家为了弥补学术型硕士实际操作能力相对较弱的特点，1997年国务院学位委员会正式批准设置工程硕士专业学位，而工程硕士创新实验能力培养又成了该领域的重要研究课题。

1国内外研究现状分析

美国的工程类硕士教育起源，可追溯到第二次世界大战以后。二战后，新知识、新技术、新材料、新工艺层出不穷，工程活动的涉及层面迅速拓宽，复杂性与日俱增，对工程教育产生了极大的影响[3]。其工程类硕士培养的最大特点就是面向专业实践应用而非学术研究，培养目标是未来设计和开发的工程师。美国自开展工程硕士教育以来，逐步形成了独特的、多样性的培养模式[4]。在美国学校工程类硕士培养的模式主要为培养方式的不同，如本硕连读制、远程教育三年制等，但其课程标准与学位要求是统一的，都必须遵循美国工程技术鉴定委员会(ABET)和各专业学会(协会)提供的统一的专业认证标准[5]。英国的硕士学位教育分成两种类型[6]。一种是给予课程学习的硕士，称为MSC(MSCourse);另一种是基于研究工作的硕士，称为MSphil(MSphilosophy)。此外，还有一种类似我国工程硕士的研究工程师学位。英国工程教育是以让毕业生取得专业头衔(即专业资格)为主要目标。经过20多年的发展，英国的专业资格已经把学术资格和职业资格融为一体。严格的入门要求、多样化的候选资格，加上灵活的注册路线，保证了专业资格的质量。我国工程硕士教育从1984年提出，经历了从试点到奠定工程硕士人才培养模式的阶段。自从奠定了人才培养模式后，工程硕士教育从9个培养单位、10个工程领域、年招生1千多人，发展到2004年的180个培养单位、38个工程领域、年招生3万多人、在校生10万余人。从发展的势头看，工程硕士教育充满着活力。为使工程硕士专业学位规范管理、稳步发展，经中华人民共和国国务院学位委员会考核验收，已下发(1997)57号文批准全国70多所高校具有工程硕士学位授予权，如清华大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、中南大学、北京航空航天大学、华南理工大学等。总的来说，大多数高校都形成了自己的办学特色[7，8]，以培养高级应用型工程技术人员为目标，经过多年发展经验[9]，目前工程硕士培养模式。相比国外，现在国内开设工程硕士培养点的高校数量在大幅度增加，但在实际培养过程中很多高校对工程硕士资格认证标准重视不够[10，11]。就目前高分子材料工程工程领域来说，工程硕士研究生专业人才培养模式的主要缺点是：没有将工程硕士的课题研究方向和企业需要解决的问题有机的结合起来，存在脱轨的问题，在定课题方向时，把企业摆在可有可无的位置上，研究生研究的课题与生源单位生产技术不搭。学生在企业工作很忙，无法保证上理论课时间等问题。针对出现的这些问题，我们高分子材料加工硕士点拟逐步摸索出一种新型的双导师制、灵活培养模式。让学生充分利用学校与企业资源平台，培养出符合社会需求的创新性人才。本课题以高分子材料加工领域工程硕士人才培养模式为样本进行研究，课题完成鉴定后推广到我校 其它 研究生专业。

2主要研究内容

本课题拟通过课程体系改革、授课方式改革、学位论文形式改革、课题来源研究内容改革等进行研究，培养出在高分子材料工程领域创新实践能力强的应用型高级专门人才。其主要研究内容。

课程设置体系研究

由于工程硕士自身特点即能够来上课的时间很少，生产实际经验丰富。本项目改革是想在时间少的情况下，使学员学到更多的东西，并发挥各自的长处。在课程设置体系设置上改革以往只注重在理论教学，必修课多的特点(至少17学分)。根据学生所在生产岗位需要多增加一些选修课(原来是11学分)。并在传授专业理论知识过程中，加强对学生创新思维的培养。

授课形式及方式研究

目前的工程硕士大多都在生产岗位作领导工作，工作很忙，集中上课存在的难度很大，本项目拟采取的办法：远程网络上课(视频和师生互动交流上课)，即课件点播、在线答疑、在线辅导、同步和异步讨论、在线测试、专家讲座等方式。即用时下流行的BBS进行提问和沟通。

学位论文形式改革

由于目前工程硕士学位论文形式比较单一，通常采用撰写“大论文”方式。依据此问题本次改革拟采取的办法为：学位论文形式：产品研发、工程设计、应用研究、工程/项目管理、 调研报告 。

课题来源研究内容改革研究

现在学生的课题大多源于校内导师课题，这与研究生所从事的专业严重脱节，针对这一问题本项目拟采取的办法：校企联合培养，针对企业具体问题，进行研究。校企联合培养模式是一种以培养学生的全面素质、综合能力与就业竞争能力为重点，利用学校与企业两种不同的教育环境和教育资源，采取课堂教学与学生参加实践有机结合的方式，培养适合不同用人单位需要的、具有全面素质与创新能力人才的教育模式。而校企联合培养模式与传统高校培养模式的根本区别在于，校企联合办学的人才培养目标是以应用能力培养为主线，依托行业发展，构建适应新材料发展的以生产技术为导向的“零距离”实践教学体系、与生产“零距离”接轨的教材体系、基于解决生产实际问题需求的“零距离”素质拓展培养体系，能实现学校、企业、学生三方共赢。由此，我们将努力尝教授走进企业，老板走进校园，企业员工(学生)走进实验室的目的。

导师管理改革

学位论文是综合衡量工程硕士培养质量的重要标志，应在导师的指导下，由攻读工程硕士学位者本人独立完成。学位论文由学校具有工程实践经验的硕士导师与工程单位选派的责任心强的具有高级技术职称的技术人员联合指导。

3创新实验能力培养模式

工程硕士学位研究生教育的科学发展取决于其适应社会需求的程度，而如何深化高校与企业之间的互动关系则是目前症结之所在。材料学院就这一问题采取了如下 措施 ：

(1)聚焦企业需求，创新工程硕士教育的办学理念随着工程硕士培养规模的不断扩大，我们不断更新工程硕士教育的办学理念，将以服务企业为宗旨贯穿于工程硕士培养之中，为企业培养“留得住，用得上”的高层次应用型人才。对于校企合作培养的研究生，可以自带科研课题。即工程硕士可以带自己单位的科研课题，课题的完成可以利用学校和企业的现有实验条件完成。学校具有良好的实验教学基础条件和高水平教师，实验室开放运行，资源共享。

(2)量身定做相比于一般的研究生，工程硕士生的知识背景更具多样性，在培养过程中应力争实现“量身定做、量体裁衣”，针对不同的行业和学生，学生可以选择自己从事工作领域的课题。从而更好地满足企业需要，满足各领域工程建设和发展需要。如我们2011级有名学生来自于威海碳纤维厂，他做的课题是“PAN。

材料工程毕业论文相关 文章 ：

1. 材料工程学论文

2. 工程硕士毕业论文范文

3. 化工专业毕业论文范文

4. 建筑工程毕业论文范文

5. 优秀毕业论文范文

从力学性能讲环氧的最好，而且日本的碳纤维上江剂也是基本满足环氧类的，但是在中国国内，上将剂的水平还是相对比较低的，一来国内碳纤维行业是个技术密集型产业，而且国产碳纤维也没有产业化，二来科研力度和资金的相对薄弱。说实话，乙烯基绝不是最佳的选择，界面的性能没有环氧的好，但是鉴于国内碳纤维的民用化以及低端化，对力学性能等不适要求很高，同时考虑到成型工艺常用手糊和导入，而很少用成本高的预浸料模压或者热压罐成型，比如汽车的引擎盖，尾翼之类，所以才使用乙烯基的树脂。 你需要进行浇注体，碳纤维复合材料力学性能测试，以及SEM电子显微镜查看界面。

碳纤维论文文献

从力学性能讲环氧的最好，而且日本的碳纤维上江剂也是基本满足环氧类的，但是在中国国内，上将剂的水平还是相对比较低的，一来国内碳纤维行业是个技术密集型产业，而且国产碳纤维也没有产业化，二来科研力度和资金的相对薄弱。说实话，乙烯基绝不是最佳的选择，界面的性能没有环氧的好，但是鉴于国内碳纤维的民用化以及低端化，对力学性能等不适要求很高，同时考虑到成型工艺常用手糊和导入，而很少用成本高的预浸料模压或者热压罐成型，比如汽车的引擎盖，尾翼之类，所以才使用乙烯基的树脂。 你需要进行浇注体，碳纤维复合材料力学性能测试，以及SEM电子显微镜查看界面。

搜一下：谁推荐点碳纤维方面的参考文献

高性能纤维性能分析【摘要】分析了碳纤维、超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑 (POB)纤维和 M5 纤维等高性能纤维的重要特性以及它们的应用状况。 【关键词】高性能纤维;先进复合材料;分子结构;重要特性;应用 [中图分类号]TS102，528 [文献标识码]A [文章编号]1002-3348（2005）01-0054-04 高性能纤维 (High-Performance Fibers)是从 20 世纪 60 年代开始研发并推广的纤维材 料， 它的出现使传统纺织工业产生了巨大变革。 所谓高性能纤维是指有高的拉伸强度和压缩 3 强度、耐磨擦、高的耐破坏力、低比重(g/m )等优良物性的纤维材料，它是近年来纤维高分 子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。 高性能纤维可用于防弹服、 蹦床布等特种织物的加 工及纤维复合材料中的加固材料，其发展涉及许多不同的领域。本文分析和比较了碳纤维、 超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维、M5 纤维等高性能 纤维的特性以及它们的应用状况。 1 高性能纤维 1·1 高性能纤维分类 无机纤维:碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等。 有机纤维:超高强聚乙烯纤维(HPPE)、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO) 纤维、M5 纤维等。 1·2 碳纤维 碳纤维的生产始于 20 世纪 60 年代末 70 年代初， 由有机纤维如腈纶(PAN)纤维、 粘胶纤 维或沥青纤维经预氧化、 炭化和石墨化加工而成。 碳纤维的石墨六方晶体结构决定了其强度 大、模量高等优良性能，如日本东丽公司生产的 T-400 碳纤维，拉伸强度可达 ，断 裂伸长率为 。碳纤维不燃烧，化学性能稳定，不受酸、盐等溶媒侵蚀。 1·3 超高强聚乙烯纤维 高强高模聚乙烯在 20 世纪 70 年代出现， 具有超高分子量， 高取向度， 且分子间距很近， 3 使纤维具备高强高模的特征， 其密度具有 ， 是唯--能浮在水面上的高强高模纤维。 除此之外，其他机械性能亦比较突出，如良好的韧性和耐疲劳性能，耐高速冲击性等。 1·4 芳香族聚酰胺纤维 20 世纪 70 年代，人们开始从事液晶态纺丝技术的研究，用于纺制高性能纤维，与普通 纺丝的分子结构截然不同，液晶态纺丝时形成的分子链只有刚棒状高取向的有序结构。 图 1 液态高聚物分子的构型示意图 (a)为典型普通大分子，为无规则线团;(b)为刚性大分子， 在没有良好侧向作用和导向情况下的状态;(c)为无规的棒状 液晶;(d)为向列型液晶 芳香族聚酰胺是最为人所熟知的，通过液晶纺丝纺制的高性能纤维，如 Kevlar(聚对苯 二甲酰对苯二胺纤维)、 Twaron(聚对苯二甲酰间苯二胺纤维)、 Technora(聚对苯二甲酰对苯 二胺纤维)等，如图 3 所示，为芳香族聚酰胺高结晶和高取向分子结构。这类纤维性能比较 均衡，具有高强伸性能， 高韧性、耐腐蚀、耐冲击、较好的热稳定性，不导电，除了强酸和强碱外，具有较强的抗化 学性能。 图 3 芳香族聚酰胺晶体结构图 聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维 1998 年国际产业纤维展览会上，日本东洋纺展出了商品名为 Zylon 的 PBO 纤维，其化 学名为聚对苯撑苯并双恶唑，化学结构为: 1·5 PBO 纤维采用液晶纺丝法纺丝，由苯环和苯杂环组成的刚棒状分子结构以及分子链的高 取向度， 决定了它的优良性能。 PBO 初纺普通丝(AS 丝-标准型)就具有 以上的强度 和 以上弹性模量， 经热处理后可得到强度不变、 模量达 的高模量丝 (HM 丝-高模量型)。PBO 作为一种新型高性能纤维，具有高强度、高模量、耐热性、阻燃性 4 大特点，其强度与模量相当于 Kevlar (凯夫拉)的 2 倍，限氧指数(L01)为 68，热分解温 度高达 650℃，在有机纤维中为最高，被认为是目前具有最高耐热性能的有机材料之一。 表 1 PBO 纤维的性能 性能 PBO 一 AS PBO—HM 密度(g/cm3) 抗拉强度(GPa) 拉伸模量(GPa) 180 280 断裂延伸率(%) 热分解温度(℃) 650 650 L01(%) 68 68 表 2 PBO 纤维与其他纤维的主要性能比较 性能 PBO-HM Kevlar-49 宇航级碳纤维 密度(g/cm ) 纤维直径(?m) 抗拉强度(Gpa) 拉伸模量(CPa) 断裂延伸率(%) 3 24 280 12 115 6 230 热分解温度(℃) 650 550 一 1·6 M5 纤维 PBO 纤维推出的几年后，阿克卓·诺贝尔(Akzo Nobel)公司开发了一种新型液晶芳族杂 环聚合物:聚[2,5-二烃基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑]，简称 "M5"或 PlPD，化学结构为: M5 纤维的结构与 PBO 分子相似——刚棒结构。 M5 分子链的方向上存在大量的-OH 和-NH 在 基团，容易形成强的氢键。如图 4 所示，与芳香族聚酰胺晶体结构不同，M5 在分子内与分 子间都有氢键存在，形成了氢键结合网络。 图 4 为 M5 纤维沿分子链轴方向的晶体结构，虚线为氢键。 图 4 M5 晶体结构 比较图 3 与图 4 可以清楚地看出，M5 大分子所形成的双向氢键结合的网络，类似一个 蜂窝。这种结构加固了分子链间的横向作用，使 M5 纤维具有良好的压缩与剪切特性，压缩 和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最。 2 高性能纤维特性分析比较 碳纤维石墨层面上碳-碳共价交键的存在，使作用于碳纤维上的应力，从一个石墨层转 移到相邻层面， 这些共价交键保证了碳纤维具有高的拉伸模量和压缩强度。 但这些共价键为 纯弹性键，一旦被打破，不可复原，即不显示任何屈服行为。所以碳纤维受力时，应力-应 变曲线是线性关系，纤维断裂是突然发生的。 有机纤维的性能取决于分子结构、分子链内键及分子链间结合键。如前所述，超高强聚 乙烯纤维、PBO 纤维都具有优良的性能，但由于超高强聚乙烯纤维大分子链间的结合键为弱 的范德华键，使其纤维易产生蠕变，压缩强力较低，另外超高强聚乙烯纤维耐热性和表面粘 合性有限，因而不适合用作加固纤维。而 PBO 纤维也因大分子链间没有形成氢键结合、作用 力较弱，使得其压缩和扭曲性能较低，加之纤维表面惰性强，与树脂的结合能力较差，在复 合材料成型过程中，有明显的界面层，从而影响也限制了 PBO 的应用。 芳香族聚酰胺纤维高结晶度、高取向度的分子结构，使其具有高强伸性能，也是由于大 分子链间弱的作用力 (范德华键)，造成大分子链间剪切模量及压缩强度低。芳香族聚酰胺 纤维由氢键结合成的薄片状结构在受压缩载荷作用时易塑性变形， 薄片相对容易断开， 在严 重过载时会出现原纤化，最终导致压缩失效。 分子链间结合键以 M5 比较理想， M5 大分子间和大分子内的 N-H-O 和 O-H-N 的双向氢 在 键结构，是其具有高抗压性能的原因所在，热处理后的 M5 纤维，拉伸模量可达 360GPa，拉 伸强度超过 4GPa，剪切模量和抗压强度可达 7GPa 和 。此外 M5 而大分子链上含有羟 基，使它与树脂基体的粘结性能优良，采用 M5 纤维加工复合材料产品时，无需添加任何特 殊的粘合促进剂，且具有优良的耐冲击和耐破坏性。有资料显示，以 M5 为加固纤维的复合 材料，在压缩过载的情况下，测试样品仍能继续承受显著的(压缩)载荷，与之相比，碳纤复 合材料会粉碎，而芳香族聚酰胺复合材料则会被挤成纤丝状薄片(原纤化)。如图 5、图 6 分 别为一个碳纤维和一个 MS 纤维复合材料的失效测试条，显示了脆性与韧性失效之间的明显 差异。此外，M5 纤维的刚棒结构又决定了它有高的耐热性和高的热稳定性，空气中热分解 温度达到了 530℃，超过了芳香族聚酰胺纤维，与 PBO 接近，极限氧指数（LOI）为 59，在 阻燃性方面也优于芳纶。 图 5 碳纤维复合材料测试条的失败 图 6 M5 纤维料测试条的失败 表 1 为几种高性能纤维力学及物理特性。 表 1 高性能纤维的力学和物理特性 特性 高 强 度 超高强聚 高 模 量 芳 香 族 高 模 量 高模量 M5 纤 碳纤维 乙烯纤维 聚酰胺纤维 PBO 纤维 维（实验值） 抗拉强度(GPa) 伸长率(%) 拉伸模量(GPa) 压缩强度(GPa) 压缩应变(%) 密度(克/cm ) 标准回潮率(%) 限氧指数（LOI） 3 230 一 一 一 一 一 115 29 280 68 330 59 空气中热老化起 800 150 450 550 530 始温度(℃) 从表 1 看，M5 纤维的各种性能指标都接近或超过其它高性能纤维，为综合性能优良的 高性能纤维。 3 应用与前景 目前超高强聚乙烯纤维的应用主要是加工防弹用特种织物、防弹板、渔业用绳网、极低 温绝缘材料、混凝土补强加固用试验片材、光缆补强材料、降落伞绳带、汽车保险杠等。芳 香族聚酰胺纤维常见的品种 Kevlar、Twaron、Technora 纤维等，主要应用有作为复合材料 的增强体、渔业工业等用绳网、防弹服、防弹板、头盔、混凝土补强材料等。碳纤维的优良 特性使其广泛用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料，应用于宇宙机械、电波望远镜 和各种成型品，还有直升飞机的叶片、飞机刹车片和绝热材料、密封填料和滤材、电磁波屏 蔽材料、防静电材料、医学材料等。PBO 纤维从问世以来就受到人们的关注，其应用主要有 防冲击方面的加固补强材料、复合材料中的加固材料，用于防护的防弹服、防弹头盔、消防 服、高性能及耐高温传动带、轮胎帘子线、光纤电缆承载部分、架桥用缆绳、耐热垫材等。 与各种高性能纤维相比，M5 纤维的综合性能更优越，这使得它的应用领域更广泛。尤 其是 M5 纤维的抗冲击力和耐破坏性，使它在制造经济、高效的结构材料方面有广阔的应用 前景，如应用于航空航天等高科技领域，在高性能纤维增强复合材料中 M5 也具有很强的竞 争力。当前 M5 纤维的研究比较活跃，随着研究的深人，其性能和应用将得到不断的提高和 拓展。 高性能纤维的不断创新是高性能产业用纺织品及复合材料用纤维领域的重要进步， 随着 世界高新技术、纤维合成与纺丝工艺的发展，以及军事、航空航天、海洋开发、产业应用的 迫切需要，高性能纤维的开发与应用前景将更为广阔。新型高性能纤维M5的研究与应用摘要:本文介绍了一种新型液晶芳族杂环聚合物,聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2,6-diimidazo(4,5-b:4',5'-e)pyridinylene-1,4(2,5-dihydroxy)phenylen],PIPD}纤维(简称M5).简述了M5纤维的制作方法,M5纤维特殊的分子结构特征,并通过与其它高性能纤维的比较,阐述了M5纤维优良的性能,特别是其良好的压缩与剪切特性.除此之外,M5纤维的高极性还使其更容易与各种树脂基体粘接,这使M5纤维的综合机械性能比目前其它高性能纤维都好.文中还展望了M5纤维的应用前景.前言近年来,随着对有机高性能纤维的不断深入研究,在刚性高性能纤维领域已经取得了很大的进展.但大多数高性能纤维,因分子间结合力的薄弱而导致某些力学性能上的不足,如PBO纤维大分子链间较弱的结合力,使其压缩和扭曲性能较差.纤维材料的压缩性能,主要取决于纤维大分子之间的相互作用程度[1,2].通常纤维扭转模量可作维表征大分子之间相互作用程度的一个量度.因此,如何增强大分子链之间的相互作用,已成为进一步强化刚性聚合物纤维力学性能的一个重要问题.作为Akzo-Nobel实验室的研究成果,一种新型的高性能纤维,即著称的M5已经被研究出来.聚合物是聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2,6-diimidazo(4,5-b:4',5'-e)pyridinylene-1,4(2,5-dihydroxy)phenylen],PIPD}纤维(简称M5)[3].由于M5纤维沿纤维径向即大分子之间存在特殊的氢键网络结构,所以M5纤维不仅具有类似PBO纤维的优异抗张性能,而且还显示出优于PBO纤维的抗压缩性能.1高性能纤维 单体的选择及M5的合成[4]在M5聚合物的制备过程中,其关键步骤是单体2,3,5,6-四氨基吡啶(2,3,5,6-tertraaminopyridine,TAP))的合成.TAP可由2,6-二氨基吡啶(2,6diaminopyridine,DAP)经硝化还原后制成,反应方程式如下所示:在M5的合成过程中,TAP需经盐酸化处理并以盐酸盐形式参与聚合反应.若TAP直接以磷酸盐的形式参与反应,不但可以避免盐酸腐蚀作用,还可以加快聚合反应速度,但却易发生氧化作用.另一单体2,5-二羟基对苯二甲酸(2,5-Dihydroxyterephthalicacid,DHTA)的合成也是制备M5聚合物的重要环节,可由2,5-二羟基对苯二甲酸二甲酯(2,5-dihydroxy-1,4-dimethylterephthalate,DDTA)水解后制得,反应方程式如下所示:M5纤维的聚合过程与聚对苯撑苯并二恶唑(poly(p-phenylenebenzobisoxazole),PBO)相似,可将TAP和DHTA两种单体按一定的等当比同时加入到聚合介质多聚磷酸(polyphosphoric acid,PPA)中,脱除HCI后逐渐升温至180℃,反应24h,得到M5聚合物,反应方程式如下所示:2 M5的分子结构特征及聚合物的聚集态结构 M5的分子结构特征M5纤维在分子链的方向上存在着大量的-OH和-NH基团,容易在分子间和分子内形成强烈的氢键.因此,其压缩和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最.M5纤维的刚棒状分子结构特点决定了M5纤维具有较高的耐热性.由于M5大分子链上含有羟基,M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接.图1热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图[5].图2热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图[5].图1和图2都显示了热处理后PIPD纤维的微观二维结构,即在大分子间和大分子内分别形成了N-H-O和O-H-N的氢键结构,这种双向氢键的网络结构正是M5纤维具有高抗压缩性能的原因在.图1 热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图图2 热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图 M5的聚集态结构图3 PIPD-AS沿C轴方向的分子结构示意图如图3所示,为含有21%左右水分子的PIPD-AS纤维的结晶结构.由于PIPD-AS纤维中存在着大量的水,因而使得PIPD-AS纤维有很大的质量热容,而且具有良好的耐燃性能.表2和表3所列出的实验结果也证实了这一结论[16,19].如图4所示,为不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图[16].从图4可以看出,PIPD-AS纤维在热处理过程中晶体中的水分被脱出,变成无水聚合物晶体,从而在垂直于纤维方向的平面内形成二维氢键网状结构.有实验表明,经过热处理后PIPD纤维的结晶度和取向度都有很大的提高.图4 不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图Klop EA等[22]通过PIPD晶体结构的X射线衍射实验研究发现,因PIPD试样的处理温度不同,在PIPD的分子内部可出现不同形式的结晶结构—单斜结晶晶胞和三斜结晶晶胞(如图5和图6所示).单斜和三斜的晶胞参数分别为:单斜结晶: a= ,b= ,c= ,=90°,=107°,=90°三斜结晶:a= ,b= ,c= ,=84,=110°,=107°Takahashi等[20,21]采用中子方法测得的PIPD-HT晶胞参数为:a= ,b= ,c= ,=84°,=°,空间结构为P21/,单斜晶胞区别于三斜晶胞的不同之处在于,三斜晶胞的氢键网络结构仅仅是靠沿对角线平面的大分子连接的,而单斜晶胞可在垂直于纤维方向的平面内形成了二维氢键网络结构,显然这种二维氢键网络结构,使得M5具有其它高性能纤维所无法比拟的高剪切强度,剪切模量和压缩强度.图5 PIPD单斜晶胞在ab面和ac面上的投影 图6 PIPD三斜晶胞在ab面上的投影3 M5纤维的纺丝工艺[9,16] M5纤维的成形M5纤维的纺丝是将质量分数为18~20%左右的PIPD/PPA纺丝浆液(聚合物的MW为×104~×105)进行干喷湿纺,空气层的高度为5-15cm,纺丝温度为180℃,以水或多聚磷酸水溶液为凝固剂,可制成PIPD的初生纤维.其中,实验用喷丝孔直径范围为65-200 m,喷头拉伸比取决于喷丝空的直径,可达70倍,所得纤维直径为8-14 m.所得M5的初生纤维需在热水中进行水洗,以除去附着在纤维表面的溶剂PPA,并进行干燥.图7 M5纤维的热处理示意图 M5纤维的热处理为了进一步提高初生纤维取向度和模量,对初生纤维在一定的预张力下进行热处理,如图7所示.在这一过程中,M5纤维取向度将伴随着由其分子结构的改变引起的剪切模量的增加而增大.对M5初生纤维进行热处理能够改善纤维的微观结构,从而提高纤维的综合性能.M5初生纤维再进一步用热水洗涤除去残留的多聚磷酸水溶液(PPA)和干燥后,在氮气环境下于400℃以上进行大约20s的定张力热处理,最终可得到高强度,高模量的M5纤维.在此需要特别指出的是,如果热处理温度过低或处理时间过短,则PIPD-AS和PIPD-HT的转变是可逆的.因此,热处理温度与热处理时间对M5纤维的模量影响很大.4 M5纤维的性能 力学性能图8 PIPD-AS和PIPD-HT纤维的应力-应变曲线图如图8所示,热处理后的PIPD纤维同PIPD的初生纤维相比较,二者的力学性能截然不同,PIPD-AS纤维存在屈服,而PIPD-HT纤维不存在这种现象.Lammwers M[18]等研究发现,经过200℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的提高到,而经过400℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的提高到.显然对于PIPD的初生纤维来讲,并非热处理温度越高越好.通过用偏光显微镜观察发现:在400℃热处理的纤维中存在裂纹,这可能是导致压缩强度下降的原因,因此,热处理温度不宜太高.表1[9-14]给出了几种高性能纤维的力学性能和其它性能的对比数据,其中的力学性能包括拉伸强度,断裂伸长,模量以及抗压缩强度等.与其它3种纤维相比,M5的抗断裂强度稍低于PBO,远远高于芳纶(PPTA)和碳纤维,其断后延伸率为;与其它高性能纤维相比,M5纤维的模量是最高的,达到了350GPa;M5的压缩强度低于碳纤维,但却远远高于Twaron-HM纤维和PBO纤维,这归因于M5的二维分子结构[17].表1 M5纤维与其它高性能纤维的比较纤维拉伸强独/Gpa断裂伸长/%初始模量/ Gpa压缩强度/ Gpa压缩应变/ %密度/()回潮率/%纤维空气中的热稳定性/℃LOI/%电导性抗冲击性抗破坏性编制性能耐紫外性Twaron-HM45029-++++-C-HS800N/A++------++PBO55068-++N/A+/---M5530>50-+++++++M5纤维特殊的分子结构,使其除具有高强和高模外,还具有良好的压缩与剪切特性,剪切模量和压缩强度分别可达7GPa和,优于PBO纤维和芳香族聚酰胺纤维,在目前所有聚合物纤维中最高.图9 M5纤维的轴向压缩SEM图一般来讲,当高性能纤维受到来自外界的轴向压缩力时,其纤维内部的分子链取向会因轴向压缩力的存在而发生改变,即沿着纤维轴向出现变形带结构.而对M5纤维来讲只有当这种轴向压缩力很大时才会出现这种结构[11].如图9所示,当M5纤维受到外界的轴向压缩力时,压缩变形后的M5纤维中也会出现一条变形带结构,但与其它高性能纤维(如PBO)相比较,M5纤维的变形程度要小很多. 阻燃性能表2 PIPD-AS和PIPD-HT纤维耐燃性能的重要参数[5]试样PHRR①(kWm-2)TTI②(s)SEA③FPI④(sm2kW-1)残留量(%)注:①热量释放最大速率(PHRR);②引燃时间(TTI);③比消光面积(SEA);④耐燃性能指数(FPI)表2所列数据是热量计热流为75kW/m2时测得的,也就是在试样表面温度为890℃左右时测得的值.纤维试样放在一块1cm2的线网上.试样原始重量在之间.从表2可以看出,PIPD-AS纤维热量释放最大速率(PHRR)为,也就是说单位时间内PIPD-AS释放出最小的热量,与其它高聚物相比是一种较好的阻燃剂用材料.PIPD-AS纤维的点燃时间最长为77s,远高于Nomex纤维.SEA是用来衡量单位物质燃烧时产生的烟雾量,PIPD-AS纤维达到了224m3/kg,而Nomex纤维为38670m3/kg,二者相比PIPD-AS纤维的SEA值远低于Nomex纤维,说明PIPD-AS纤维燃烧时产生的烟雾量要远少于Nomex纤维.同表2中的其它高聚物相比,PIPD-AS纤维的耐燃性能指数(FPI)最高为.从表2中各项耐燃性能参数可以看出PIPD纤维在耐燃性方面,要好于其它高性能纤维,即PIPD纤维在耐燃性方面将具有较好多应用前景.M5纤维的刚棒状分子结构决定了它具有较高的耐热性和热稳定性.从表2中可以看出,PIPD-HT纤维具有与聚对苯亚基苯并双嗯哇(PBO)纤维相似的FPI值,但它在燃烧过程中更不容易产生烟.M5在空气中的热分解温度为530℃,超过了芳香族聚酰胺纤维,与PBO纤维接近.M5纤维的极限氧指数(LOI)值超过50,不熔融,不燃烧,具有良好的耐热性和稳定性[7]. 界面粘合性能与PBO,聚乙烯或芳香族聚酰胺纤维相比,由于M5大分子链上含有羟基,M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接.采用M5纤维加工复合材料产品时,无需添加任何特殊的粘合促进剂.M5纤维在与各种环氧树脂,不饱和聚酯和乙烯基树脂复合成形过程中,不会出现界面层,且具有优良的耐冲击和耐破坏性[6,8]. 热力学性能图10 四种不同含水量M5纤维的DSC扫描图图10为[19]等用SetaramC80D热量计测得的四种不同含水量M5纤维的DSC谱图.研究发现将1g试样材料放在一个开放的测试槽内,以℃/min的速度,在30℃-200℃范围内得到一张扫描图,如图5所示.从DSC谱图可以看出,四种不同含水量M5纤维的吸热峰面积及位置与开放测试槽内水分的蒸发有关.从表3可以看出,含有结晶水的M5初生纤维的热吸收值与不含结晶水的M5纤维的热吸收值之间存在着较大的差别,而PIPD初生纤维和PIPD HT试样的热吸收值之间几乎没有什么差别.通过以上研究发现完全干燥的PIPD初生纤维的晶体结构与PIPD-HT试样结构类似.表3 不同含水量的PIPD纤维的热吸收值试样热吸收值(J/g)PIPD初生纤维(含水量20%)637PIPD初生纤维(干燥)163PIPD HT(含水量7%)378PIPD HT(干燥)1855 应用及展望作为一种先进复合材料的增强材料,M5纤维具有许多其它有机高性能纤维不具备的特性,这使得M5纤维在许多尖端科研领域具有更加广阔的应用前景;M5纤维可用于航空航天等高科技领域;用于国防领域如制造防弹材料;用于制造运动器材如网球拍,赛艇等.M5纤维特殊的分子结构决定了其具有许多高性能纤维所无法比拟的优良的力学性能和粘合性能,使它在高性能纤维增强复合材料领域中具有很强的竞争力.与碳纤维相比,M5纤维不仅具有与其相似的力学性能,而且M5纤维还具有碳纤维所不具有的高电阻特性,这使得M5纤维可在碳纤维不太适用的领域发挥作用,如电子行业.由于M5大分子链上含有羟基,M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接.正是由于M5纤维具有许多其他高性能纤维所无法比拟的性能和更加广阔的应用前景,这使得众多的科研工作者都积极地致力于M5纤维的研究.相信在不久的将来,随着对M5纤维研究的进一步深入,作为新一代的有机高性能纤维—M5纤维必将得更加广泛的应用.

碳纤维论文3000字

高性能纤维性能分析【摘要】分析了碳纤维、超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑 (POB)纤维和 M5 纤维等高性能纤维的重要特性以及它们的应用状况。 【关键词】高性能纤维;先进复合材料;分子结构;重要特性;应用 [中图分类号]TS102，528 [文献标识码]A [文章编号]1002-3348（2005）01-0054-04 高性能纤维 (High-Performance Fibers)是从 20 世纪 60 年代开始研发并推广的纤维材 料， 它的出现使传统纺织工业产生了巨大变革。 所谓高性能纤维是指有高的拉伸强度和压缩 3 强度、耐磨擦、高的耐破坏力、低比重(g/m )等优良物性的纤维材料，它是近年来纤维高分 子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。 高性能纤维可用于防弹服、 蹦床布等特种织物的加 工及纤维复合材料中的加固材料，其发展涉及许多不同的领域。本文分析和比较了碳纤维、 超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维、M5 纤维等高性能 纤维的特性以及它们的应用状况。 1 高性能纤维 1·1 高性能纤维分类 无机纤维:碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等。 有机纤维:超高强聚乙烯纤维(HPPE)、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO) 纤维、M5 纤维等。 1·2 碳纤维 碳纤维的生产始于 20 世纪 60 年代末 70 年代初， 由有机纤维如腈纶(PAN)纤维、 粘胶纤 维或沥青纤维经预氧化、 炭化和石墨化加工而成。 碳纤维的石墨六方晶体结构决定了其强度 大、模量高等优良性能，如日本东丽公司生产的 T-400 碳纤维，拉伸强度可达 ，断 裂伸长率为 。碳纤维不燃烧，化学性能稳定，不受酸、盐等溶媒侵蚀。 1·3 超高强聚乙烯纤维 高强高模聚乙烯在 20 世纪 70 年代出现， 具有超高分子量， 高取向度， 且分子间距很近， 3 使纤维具备高强高模的特征， 其密度具有 ， 是唯--能浮在水面上的高强高模纤维。 除此之外，其他机械性能亦比较突出，如良好的韧性和耐疲劳性能，耐高速冲击性等。 1·4 芳香族聚酰胺纤维 20 世纪 70 年代，人们开始从事液晶态纺丝技术的研究，用于纺制高性能纤维，与普通 纺丝的分子结构截然不同，液晶态纺丝时形成的分子链只有刚棒状高取向的有序结构。 图 1 液态高聚物分子的构型示意图 (a)为典型普通大分子，为无规则线团;(b)为刚性大分子， 在没有良好侧向作用和导向情况下的状态;(c)为无规的棒状 液晶;(d)为向列型液晶 芳香族聚酰胺是最为人所熟知的，通过液晶纺丝纺制的高性能纤维，如 Kevlar(聚对苯 二甲酰对苯二胺纤维)、 Twaron(聚对苯二甲酰间苯二胺纤维)、 Technora(聚对苯二甲酰对苯 二胺纤维)等，如图 3 所示，为芳香族聚酰胺高结晶和高取向分子结构。这类纤维性能比较 均衡，具有高强伸性能， 高韧性、耐腐蚀、耐冲击、较好的热稳定性，不导电，除了强酸和强碱外，具有较强的抗化 学性能。 图 3 芳香族聚酰胺晶体结构图 聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维 1998 年国际产业纤维展览会上，日本东洋纺展出了商品名为 Zylon 的 PBO 纤维，其化 学名为聚对苯撑苯并双恶唑，化学结构为: 1·5 PBO 纤维采用液晶纺丝法纺丝，由苯环和苯杂环组成的刚棒状分子结构以及分子链的高 取向度， 决定了它的优良性能。 PBO 初纺普通丝(AS 丝-标准型)就具有 以上的强度 和 以上弹性模量， 经热处理后可得到强度不变、 模量达 的高模量丝 (HM 丝-高模量型)。PBO 作为一种新型高性能纤维，具有高强度、高模量、耐热性、阻燃性 4 大特点，其强度与模量相当于 Kevlar (凯夫拉)的 2 倍，限氧指数(L01)为 68，热分解温 度高达 650℃，在有机纤维中为最高，被认为是目前具有最高耐热性能的有机材料之一。 表 1 PBO 纤维的性能 性能 PBO 一 AS PBO—HM 密度(g/cm3) 抗拉强度(GPa) 拉伸模量(GPa) 180 280 断裂延伸率(%) 热分解温度(℃) 650 650 L01(%) 68 68 表 2 PBO 纤维与其他纤维的主要性能比较 性能 PBO-HM Kevlar-49 宇航级碳纤维 密度(g/cm ) 纤维直径(?m) 抗拉强度(Gpa) 拉伸模量(CPa) 断裂延伸率(%) 3 24 280 12 115 6 230 热分解温度(℃) 650 550 一 1·6 M5 纤维 PBO 纤维推出的几年后，阿克卓·诺贝尔(Akzo Nobel)公司开发了一种新型液晶芳族杂 环聚合物:聚[2,5-二烃基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑]，简称 "M5"或 PlPD，化学结构为: M5 纤维的结构与 PBO 分子相似——刚棒结构。 M5 分子链的方向上存在大量的-OH 和-NH 在 基团，容易形成强的氢键。如图 4 所示，与芳香族聚酰胺晶体结构不同，M5 在分子内与分 子间都有氢键存在，形成了氢键结合网络。 图 4 为 M5 纤维沿分子链轴方向的晶体结构，虚线为氢键。 图 4 M5 晶体结构 比较图 3 与图 4 可以清楚地看出，M5 大分子所形成的双向氢键结合的网络，类似一个 蜂窝。这种结构加固了分子链间的横向作用，使 M5 纤维具有良好的压缩与剪切特性，压缩 和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最。 2 高性能纤维特性分析比较 碳纤维石墨层面上碳-碳共价交键的存在，使作用于碳纤维上的应力，从一个石墨层转 移到相邻层面， 这些共价交键保证了碳纤维具有高的拉伸模量和压缩强度。 但这些共价键为 纯弹性键，一旦被打破，不可复原，即不显示任何屈服行为。所以碳纤维受力时，应力-应 变曲线是线性关系，纤维断裂是突然发生的。 有机纤维的性能取决于分子结构、分子链内键及分子链间结合键。如前所述，超高强聚 乙烯纤维、PBO 纤维都具有优良的性能，但由于超高强聚乙烯纤维大分子链间的结合键为弱 的范德华键，使其纤维易产生蠕变，压缩强力较低，另外超高强聚乙烯纤维耐热性和表面粘 合性有限，因而不适合用作加固纤维。而 PBO 纤维也因大分子链间没有形成氢键结合、作用 力较弱，使得其压缩和扭曲性能较低，加之纤维表面惰性强，与树脂的结合能力较差，在复 合材料成型过程中，有明显的界面层，从而影响也限制了 PBO 的应用。 芳香族聚酰胺纤维高结晶度、高取向度的分子结构，使其具有高强伸性能，也是由于大 分子链间弱的作用力 (范德华键)，造成大分子链间剪切模量及压缩强度低。芳香族聚酰胺 纤维由氢键结合成的薄片状结构在受压缩载荷作用时易塑性变形， 薄片相对容易断开， 在严 重过载时会出现原纤化，最终导致压缩失效。 分子链间结合键以 M5 比较理想， M5 大分子间和大分子内的 N-H-O 和 O-H-N 的双向氢 在 键结构，是其具有高抗压性能的原因所在，热处理后的 M5 纤维，拉伸模量可达 360GPa，拉 伸强度超过 4GPa，剪切模量和抗压强度可达 7GPa 和 。此外 M5 而大分子链上含有羟 基，使它与树脂基体的粘结性能优良，采用 M5 纤维加工复合材料产品时，无需添加任何特 殊的粘合促进剂，且具有优良的耐冲击和耐破坏性。有资料显示，以 M5 为加固纤维的复合 材料，在压缩过载的情况下，测试样品仍能继续承受显著的(压缩)载荷，与之相比，碳纤复 合材料会粉碎，而芳香族聚酰胺复合材料则会被挤成纤丝状薄片(原纤化)。如图 5、图 6 分 别为一个碳纤维和一个 MS 纤维复合材料的失效测试条，显示了脆性与韧性失效之间的明显 差异。此外，M5 纤维的刚棒结构又决定了它有高的耐热性和高的热稳定性，空气中热分解 温度达到了 530℃，超过了芳香族聚酰胺纤维，与 PBO 接近，极限氧指数（LOI）为 59，在 阻燃性方面也优于芳纶。 图 5 碳纤维复合材料测试条的失败 图 6 M5 纤维料测试条的失败 表 1 为几种高性能纤维力学及物理特性。 表 1 高性能纤维的力学和物理特性 特性 高 强 度 超高强聚 高 模 量 芳 香 族 高 模 量 高模量 M5 纤 碳纤维 乙烯纤维 聚酰胺纤维 PBO 纤维 维（实验值） 抗拉强度(GPa) 伸长率(%) 拉伸模量(GPa) 压缩强度(GPa) 压缩应变(%) 密度(克/cm ) 标准回潮率(%) 限氧指数（LOI） 3 230 一 一 一 一 一 115 29 280 68 330 59 空气中热老化起 800 150 450 550 530 始温度(℃) 从表 1 看，M5 纤维的各种性能指标都接近或超过其它高性能纤维，为综合性能优良的 高性能纤维。 3 应用与前景 目前超高强聚乙烯纤维的应用主要是加工防弹用特种织物、防弹板、渔业用绳网、极低 温绝缘材料、混凝土补强加固用试验片材、光缆补强材料、降落伞绳带、汽车保险杠等。芳 香族聚酰胺纤维常见的品种 Kevlar、Twaron、Technora 纤维等，主要应用有作为复合材料 的增强体、渔业工业等用绳网、防弹服、防弹板、头盔、混凝土补强材料等。碳纤维的优良 特性使其广泛用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料，应用于宇宙机械、电波望远镜 和各种成型品，还有直升飞机的叶片、飞机刹车片和绝热材料、密封填料和滤材、电磁波屏 蔽材料、防静电材料、医学材料等。PBO 纤维从问世以来就受到人们的关注，其应用主要有 防冲击方面的加固补强材料、复合材料中的加固材料，用于防护的防弹服、防弹头盔、消防 服、高性能及耐高温传动带、轮胎帘子线、光纤电缆承载部分、架桥用缆绳、耐热垫材等。 与各种高性能纤维相比，M5 纤维的综合性能更优越，这使得它的应用领域更广泛。尤 其是 M5 纤维的抗冲击力和耐破坏性，使它在制造经济、高效的结构材料方面有广阔的应用 前景，如应用于航空航天等高科技领域，在高性能纤维增强复合材料中 M5 也具有很强的竞 争力。当前 M5 纤维的研究比较活跃，随着研究的深人，其性能和应用将得到不断的提高和 拓展。 高性能纤维的不断创新是高性能产业用纺织品及复合材料用纤维领域的重要进步， 随着 世界高新技术、纤维合成与纺丝工艺的发展，以及军事、航空航天、海洋开发、产业应用的 迫切需要，高性能纤维的开发与应用前景将更为广阔。新型高性能纤维M5的研究与应用摘要:本文介绍了一种新型液晶芳族杂环聚合物,聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2,6-diimidazo(4,5-b:4',5'-e)pyridinylene-1,4(2,5-dihydroxy)phenylen],PIPD}纤维(简称M5).简述了M5纤维的制作方法,M5纤维特殊的分子结构特征,并通过与其它高性能纤维的比较,阐述了M5纤维优良的性能,特别是其良好的压缩与剪切特性.除此之外,M5纤维的高极性还使其更容易与各种树脂基体粘接,这使M5纤维的综合机械性能比目前其它高性能纤维都好.文中还展望了M5纤维的应用前景.前言近年来,随着对有机高性能纤维的不断深入研究,在刚性高性能纤维领域已经取得了很大的进展.但大多数高性能纤维,因分子间结合力的薄弱而导致某些力学性能上的不足,如PBO纤维大分子链间较弱的结合力,使其压缩和扭曲性能较差.纤维材料的压缩性能,主要取决于纤维大分子之间的相互作用程度[1,2].通常纤维扭转模量可作维表征大分子之间相互作用程度的一个量度.因此,如何增强大分子链之间的相互作用,已成为进一步强化刚性聚合物纤维力学性能的一个重要问题.作为Akzo-Nobel实验室的研究成果,一种新型的高性能纤维,即著称的M5已经被研究出来.聚合物是聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2,6-diimidazo(4,5-b:4',5'-e)pyridinylene-1,4(2,5-dihydroxy)phenylen],PIPD}纤维(简称M5)[3].由于M5纤维沿纤维径向即大分子之间存在特殊的氢键网络结构,所以M5纤维不仅具有类似PBO纤维的优异抗张性能,而且还显示出优于PBO纤维的抗压缩性能.1高性能纤维 单体的选择及M5的合成[4]在M5聚合物的制备过程中,其关键步骤是单体2,3,5,6-四氨基吡啶(2,3,5,6-tertraaminopyridine,TAP))的合成.TAP可由2,6-二氨基吡啶(2,6diaminopyridine,DAP)经硝化还原后制成,反应方程式如下所示:在M5的合成过程中,TAP需经盐酸化处理并以盐酸盐形式参与聚合反应.若TAP直接以磷酸盐的形式参与反应,不但可以避免盐酸腐蚀作用,还可以加快聚合反应速度,但却易发生氧化作用.另一单体2,5-二羟基对苯二甲酸(2,5-Dihydroxyterephthalicacid,DHTA)的合成也是制备M5聚合物的重要环节,可由2,5-二羟基对苯二甲酸二甲酯(2,5-dihydroxy-1,4-dimethylterephthalate,DDTA)水解后制得,反应方程式如下所示:M5纤维的聚合过程与聚对苯撑苯并二恶唑(poly(p-phenylenebenzobisoxazole),PBO)相似,可将TAP和DHTA两种单体按一定的等当比同时加入到聚合介质多聚磷酸(polyphosphoric acid,PPA)中,脱除HCI后逐渐升温至180℃,反应24h,得到M5聚合物,反应方程式如下所示:2 M5的分子结构特征及聚合物的聚集态结构 M5的分子结构特征M5纤维在分子链的方向上存在着大量的-OH和-NH基团,容易在分子间和分子内形成强烈的氢键.因此,其压缩和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最.M5纤维的刚棒状分子结构特点决定了M5纤维具有较高的耐热性.由于M5大分子链上含有羟基,M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接.图1热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图[5].图2热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图[5].图1和图2都显示了热处理后PIPD纤维的微观二维结构,即在大分子间和大分子内分别形成了N-H-O和O-H-N的氢键结构,这种双向氢键的网络结构正是M5纤维具有高抗压缩性能的原因在.图1 热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图图2 热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图 M5的聚集态结构图3 PIPD-AS沿C轴方向的分子结构示意图如图3所示,为含有21%左右水分子的PIPD-AS纤维的结晶结构.由于PIPD-AS纤维中存在着大量的水,因而使得PIPD-AS纤维有很大的质量热容,而且具有良好的耐燃性能.表2和表3所列出的实验结果也证实了这一结论[16,19].如图4所示,为不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图[16].从图4可以看出,PIPD-AS纤维在热处理过程中晶体中的水分被脱出,变成无水聚合物晶体,从而在垂直于纤维方向的平面内形成二维氢键网状结构.有实验表明,经过热处理后PIPD纤维的结晶度和取向度都有很大的提高.图4 不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图Klop EA等[22]通过PIPD晶体结构的X射线衍射实验研究发现,因PIPD试样的处理温度不同,在PIPD的分子内部可出现不同形式的结晶结构—单斜结晶晶胞和三斜结晶晶胞(如图5和图6所示).单斜和三斜的晶胞参数分别为:单斜结晶: a= ,b= ,c= ,=90°,=107°,=90°三斜结晶:a= ,b= ,c= ,=84,=110°,=107°Takahashi等[20,21]采用中子方法测得的PIPD-HT晶胞参数为:a= ,b= ,c= ,=84°,=°,空间结构为P21/,单斜晶胞区别于三斜晶胞的不同之处在于,三斜晶胞的氢键网络结构仅仅是靠沿对角线平面的大分子连接的,而单斜晶胞可在垂直于纤维方向的平面内形成了二维氢键网络结构,显然这种二维氢键网络结构,使得M5具有其它高性能纤维所无法比拟的高剪切强度,剪切模量和压缩强度.图5 PIPD单斜晶胞在ab面和ac面上的投影 图6 PIPD三斜晶胞在ab面上的投影3 M5纤维的纺丝工艺[9,16] M5纤维的成形M5纤维的纺丝是将质量分数为18~20%左右的PIPD/PPA纺丝浆液(聚合物的MW为×104~×105)进行干喷湿纺,空气层的高度为5-15cm,纺丝温度为180℃,以水或多聚磷酸水溶液为凝固剂,可制成PIPD的初生纤维.其中,实验用喷丝孔直径范围为65-200 m,喷头拉伸比取决于喷丝空的直径,可达70倍,所得纤维直径为8-14 m.所得M5的初生纤维需在热水中进行水洗,以除去附着在纤维表面的溶剂PPA,并进行干燥.图7 M5纤维的热处理示意图 M5纤维的热处理为了进一步提高初生纤维取向度和模量,对初生纤维在一定的预张力下进行热处理,如图7所示.在这一过程中,M5纤维取向度将伴随着由其分子结构的改变引起的剪切模量的增加而增大.对M5初生纤维进行热处理能够改善纤维的微观结构,从而提高纤维的综合性能.M5初生纤维再进一步用热水洗涤除去残留的多聚磷酸水溶液(PPA)和干燥后,在氮气环境下于400℃以上进行大约20s的定张力热处理,最终可得到高强度,高模量的M5纤维.在此需要特别指出的是,如果热处理温度过低或处理时间过短,则PIPD-AS和PIPD-HT的转变是可逆的.因此,热处理温度与热处理时间对M5纤维的模量影响很大.4 M5纤维的性能 力学性能图8 PIPD-AS和PIPD-HT纤维的应力-应变曲线图如图8所示,热处理后的PIPD纤维同PIPD的初生纤维相比较,二者的力学性能截然不同,PIPD-AS纤维存在屈服,而PIPD-HT纤维不存在这种现象.Lammwers M[18]等研究发现,经过200℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的提高到,而经过400℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的提高到.显然对于PIPD的初生纤维来讲,并非热处理温度越高越好.通过用偏光显微镜观察发现:在400℃热处理的纤维中存在裂纹,这可能是导致压缩强度下降的原因,因此,热处理温度不宜太高.表1[9-14]给出了几种高性能纤维的力学性能和其它性能的对比数据,其中的力学性能包括拉伸强度,断裂伸长,模量以及抗压缩强度等.与其它3种纤维相比,M5的抗断裂强度稍低于PBO,远远高于芳纶(PPTA)和碳纤维,其断后延伸率为;与其它高性能纤维相比,M5纤维的模量是最高的,达到了350GPa;M5的压缩强度低于碳纤维,但却远远高于Twaron-HM纤维和PBO纤维,这归因于M5的二维分子结构[17].表1 M5纤维与其它高性能纤维的比较纤维拉伸强独/Gpa断裂伸长/%初始模量/ Gpa压缩强度/ Gpa压缩应变/ %密度/()回潮率/%纤维空气中的热稳定性/℃LOI/%电导性抗冲击性抗破坏性编制性能耐紫外性Twaron-HM45029-++++-C-HS800N/A++------++PBO55068-++N/A+/---M5530>50-+++++++M5纤维特殊的分子结构,使其除具有高强和高模外,还具有良好的压缩与剪切特性,剪切模量和压缩强度分别可达7GPa和,优于PBO纤维和芳香族聚酰胺纤维,在目前所有聚合物纤维中最高.图9 M5纤维的轴向压缩SEM图一般来讲,当高性能纤维受到来自外界的轴向压缩力时,其纤维内部的分子链取向会因轴向压缩力的存在而发生改变,即沿着纤维轴向出现变形带结构.而对M5纤维来讲只有当这种轴向压缩力很大时才会出现这种结构[11].如图9所示,当M5纤维受到外界的轴向压缩力时,压缩变形后的M5纤维中也会出现一条变形带结构,但与其它高性能纤维(如PBO)相比较,M5纤维的变形程度要小很多. 阻燃性能表2 PIPD-AS和PIPD-HT纤维耐燃性能的重要参数[5]试样PHRR①(kWm-2)TTI②(s)SEA③FPI④(sm2kW-1)残留量(%)注:①热量释放最大速率(PHRR);②引燃时间(TTI);③比消光面积(SEA);④耐燃性能指数(FPI)表2所列数据是热量计热流为75kW/m2时测得的,也就是在试样表面温度为890℃左右时测得的值.纤维试样放在一块1cm2的线网上.试样原始重量在之间.从表2可以看出,PIPD-AS纤维热量释放最大速率(PHRR)为,也就是说单位时间内PIPD-AS释放出最小的热量,与其它高聚物相比是一种较好的阻燃剂用材料.PIPD-AS纤维的点燃时间最长为77s,远高于Nomex纤维.SEA是用来衡量单位物质燃烧时产生的烟雾量,PIPD-AS纤维达到了224m3/kg,而Nomex纤维为38670m3/kg,二者相比PIPD-AS纤维的SEA值远低于Nomex纤维,说明PIPD-AS纤维燃烧时产生的烟雾量要远少于Nomex纤维.同表2中的其它高聚物相比,PIPD-AS纤维的耐燃性能指数(FPI)最高为.从表2中各项耐燃性能参数可以看出PIPD纤维在耐燃性方面,要好于其它高性能纤维,即PIPD纤维在耐燃性方面将具有较好多应用前景.M5纤维的刚棒状分子结构决定了它具有较高的耐热性和热稳定性.从表2中可以看出,PIPD-HT纤维具有与聚对苯亚基苯并双嗯哇(PBO)纤维相似的FPI值,但它在燃烧过程中更不容易产生烟.M5在空气中的热分解温度为530℃,超过了芳香族聚酰胺纤维,与PBO纤维接近.M5纤维的极限氧指数(LOI)值超过50,不熔融,不燃烧,具有良好的耐热性和稳定性[7]. 界面粘合性能与PBO,聚乙烯或芳香族聚酰胺纤维相比,由于M5大分子链上含有羟基,M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接.采用M5纤维加工复合材料产品时,无需添加任何特殊的粘合促进剂.M5纤维在与各种环氧树脂,不饱和聚酯和乙烯基树脂复合成形过程中,不会出现界面层,且具有优良的耐冲击和耐破坏性[6,8]. 热力学性能图10 四种不同含水量M5纤维的DSC扫描图图10为[19]等用SetaramC80D热量计测得的四种不同含水量M5纤维的DSC谱图.研究发现将1g试样材料放在一个开放的测试槽内,以℃/min的速度,在30℃-200℃范围内得到一张扫描图,如图5所示.从DSC谱图可以看出,四种不同含水量M5纤维的吸热峰面积及位置与开放测试槽内水分的蒸发有关.从表3可以看出,含有结晶水的M5初生纤维的热吸收值与不含结晶水的M5纤维的热吸收值之间存在着较大的差别,而PIPD初生纤维和PIPD HT试样的热吸收值之间几乎没有什么差别.通过以上研究发现完全干燥的PIPD初生纤维的晶体结构与PIPD-HT试样结构类似.表3 不同含水量的PIPD纤维的热吸收值试样热吸收值(J/g)PIPD初生纤维(含水量20%)637PIPD初生纤维(干燥)163PIPD HT(含水量7%)378PIPD HT(干燥)1855 应用及展望作为一种先进复合材料的增强材料,M5纤维具有许多其它有机高性能纤维不具备的特性,这使得M5纤维在许多尖端科研领域具有更加广阔的应用前景;M5纤维可用于航空航天等高科技领域;用于国防领域如制造防弹材料;用于制造运动器材如网球拍,赛艇等.M5纤维特殊的分子结构决定了其具有许多高性能纤维所无法比拟的优良的力学性能和粘合性能,使它在高性能纤维增强复合材料领域中具有很强的竞争力.与碳纤维相比,M5纤维不仅具有与其相似的力学性能,而且M5纤维还具有碳纤维所不具有的高电阻特性,这使得M5纤维可在碳纤维不太适用的领域发挥作用,如电子行业.由于M5大分子链上含有羟基,M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接.正是由于M5纤维具有许多其他高性能纤维所无法比拟的性能和更加广阔的应用前景,这使得众多的科研工作者都积极地致力于M5纤维的研究.相信在不久的将来,随着对M5纤维研究的进一步深入,作为新一代的有机高性能纤维—M5纤维必将得更加广泛的应用.

你去找下（土木工程、或者、交通技术）吧~

桥梁工程学的发展主要取决于交通运输对它的需要。古代桥梁以通行人、畜为主，载重不大，桥面纵坡可以较陡，甚至可以铺设台阶。在有重载马车之后，载重量逐步加大，桥面纵坡也必须使之平缓。这时的桥梁材料仍以木、石为主，铸铁和锻铁很少使用。 从桥梁的原始雏形——堤梁（及在浅滩溪涧中筑起一个个石堤，堤间流水，人从石堤上跨越）、独木桥、浮桥（架设在船只上的桥）和石拱到现在超千米跨度的悬索桥，桥梁工程在几千年的时间里发展可谓翻天覆地。然而桥梁工程能拥有这翻天覆地的发展取决于工程材料和工程技术迅猛发展的有力推动。在原始社会里，懵然无知的古人类还只是追求有一个起身的洞穴和能填饱肚子的食物，还不会想到桥。然而随着社会的发展，人类文明的进步，交通的不断发展，人们开始创造了桥。然而那时工程材料的使用仅限于天然的木和石块，且工程技术非常落后，所以人们只能建造简单的桥——堤梁、独木桥和简单的石拱。世界上现存最古老的石桥在希腊的伯罗奔尼撒半岛，是一座用石块干垒的单孔石拱桥，距今3500年左右建成。我国古代桥梁工程技术的发展在当时处于世界领先地位。公元590——608年建造在河北省赵县（叫）河上留存至今的隋代敞肩式单孔圆弧弓形石拱桥，即赵州桥。该桥全长，桥面宽约10m，采用28条并列的石条砌成拱券形成。拱券矢高。拱上设有4个小拱，既能减轻桥身自重，又便于排洪，且更显美观。该桥无论在材料使用、结构受力、艺术造型和经济上都达到极高成就，是世界上最早的敞肩式拱桥，早于欧洲同类桥约1000年。近代土木工程的时间跨度为从17世纪中叶至20世纪中叶的300年间。这个时期内土木工程的主要特征有：——有力学和结构理论作为指导；——砖、瓦、木、石等结构建筑材料得到日益广泛的使用；混凝土、钢材、钢筋混凝土及早期的预应力混凝土得到发展；——施工技术进步很大，建造规模日益扩大，建造速度大大加快。在这个时期内,以下几件大事对桥梁工程的影响巨大: (1)意大利学者伽利略在1638年出版的著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》中论述了建筑材料的力学性质和梁的强度，首次用公式表达了梁的设计理论。 (2)英国科学家牛顿在1687年总结了力学三大定律它们是土木工程设计理论的基础。 (3)瑞士数学家欧拉1744年出版《曲线的变分法》建立了柱的压屈理论，得到计算柱的临界受压力的公式，为分析土木工程结构物的稳定问题奠定了基础。 (4)1824年英国人阿斯普.丁取得了波特兰水泥的专利权，1850年开始生产。这是形成混凝土的主要材料，使得混凝土在土木工程中得到广泛应用。后来，在20世纪初，有人发表了水灰比等学说，才初步奠定了混凝土强度的理论基础。 (5)1859年发明了贝塞麦转炉炼钢法，似的钢材得以大量生产，并愈来愈多地应用于土木工程。 (6)1867年法国人莫尼埃用铁丝加固混凝土制成花盆，并把这种方法应用到工程中，建造了一座蓄水池，这是应用钢筋混凝土的开端。1875年他主持建造了第一座长16m的钢筋混凝土桥。 (8)1779年英国用铸铁建成跨度为的拱桥；1826年英国用锻铁建成跨度为177m的悬索桥；1883年美国建成世界上第一座大跨钢悬索桥——布鲁克林桥；1890年英国又建成两孔主跨达521m的悬臂式刚架桥，这样，现代桥梁3种基本形式(梁桥、拱桥、悬索桥)相继出现。 自从有了铁路以后，桥梁所承受的载重逐倍增加，线路的坡度和曲线标准要求又高，且需要建成铁路网以增大经济效益，因此，为要跨越更大更深的江河、峡谷，迫使桥梁向大跨度发展。石材、木材、铸铁、锻铁等桥梁材料，显然不合要求，而钢材的大量生产正好满足这一要求。 在技术方面，只是凭经验修桥，曾使19世纪80～90年代的许多铁路桥发生重大事故；从这时起，正在发展中的结构力学理论得到了重视，而在它的静力分析理论完全确立并广泛普及之后，桥梁因强度不足而造成的事故显然大为减少。 二十世纪以来，公路交通有很大发展。在内陆，需要在更多的河流、峡谷之上建桥。在城市中，以及在各种交通线路相交处，需要建造立交桥。在沿海，既需在大船通航的河口、海湾、海峡修建特大跨度桥梁，又需在某些海岛与大陆之间修建长桥。 由于更多新技术新材料的出现，现代桥梁工程的发展尤其迅速，世界各国相继建造出超千米的桥梁。世界上跨径最大的预应力混凝土斜拉桥——西班牙的卢纳巴里奥斯桥,跨径达440m,采用了双面辐射形密索布置. 世界第一的悬索桥——日本明石海峡桥,横跨日本内海,使日本神户与淡路岛紧紧相连.这座大桥全长3190M,中央跨度1990m于1998年竣工.它可以承受里氏级地震.目前中国在建的一批公路桥梁，无论是桥梁的数量还是工程规模、技术难度、科技含量，都代表着当今世界的先进水平，创造了中国建桥史之最。据悉，这些桥梁主要有：阳逻长江大桥，主跨1280米的悬索桥；南京长江三桥，主跨648米的斜拉桥；润扬长江公路大桥，跨江连岛的主跨1490米悬索桥和406米斜拉桥组合；深圳湾跨海大桥，主跨180米独塔单索面斜拉桥；苏通长江公路大桥，主跨1088米的斜拉桥，居世界第一；杭州湾跨海大桥，按双向六车道高速公路标准建设，全长36公里，是世上在建最长的公路跨海大桥。一个国家同时在建这么多世界级桥梁，在世界上不多见。 桥梁需要大量修建，而人力、物力、财力有限；于是，不断提高技术水平，引用新材料、新工艺、新桥式，对结构行为进行更精确的数值分析，采用更精确的结构试验进行验证，以使桥梁建设的经济效益不断提高，已成为时代的要求。 桥梁工程学主要研究桥渡设计，包括选择桥址，决定桥梁孔径，考虑通航和线路要求以确定桥面高程，考虑基底不受冲刷或冻胀以确定基础埋置深度，设计导流建筑物等；桥式方案设计；桥梁结构设计；桥梁施工；桥梁检定；桥梁试验；桥梁养护等方面。 在建桥材料方面，以高强、轻质、低成本为选择的主要依据，近期仍以发展传统的钢材和混凝土为主，提高其强度和耐久性。对于建筑钢材的脆断机理、初始几何缺陷等，以及混凝土材料的非弹性问题(收缩徐变以及疲劳等)，将继续作充分的研究，使能正确控制结构的受力和变形。至于碳纤维塑料等在桥梁上的广泛应用，还必须在降低成本以后才有可能。 在桥梁勘察设计方面，随着交通事业的迅速发展，大跨度或复杂的桥型将不断涌现。高速公路的发展，对桥梁设计亦将提出新的要求。在桥式方案设计中，将有可能利用结构优化设计理论，借助电子计算机选出最佳方案。 在结构设计计算中，采用空间理论来分析桥梁整体受力已成为可能；以概率统计理论为基础的极限状态设计理论，将进一步反映在桥涵设计规范中，使桥梁设计的安全度得到科学合理的保证。桥梁美学作为时代、民族的文化在某些方面的反映，将愈来愈受到人们的重视：桥梁的面貌将蔚为大观。 在桥梁施工方面，对施工组织将充分利用电子计算机进行经济有效的管理。在施工技术中，将不断引用新技术和高效率、高功能的机具设备，借以提高质量、缩短工期、降低造价。如采用激光测量控制结构的精确定位；引用自升式水上平台克服深水基础的困难；利用遥控设备在沉井、沉箱中挖基，以减少劳动强度并避免人身危险；利用高质量的焊接技术，借能推广工地焊接等，此外，装配式桥梁也将有所发展，以使结构和构件标准化，生产工业化。 在桥梁养护维修方面，要求对既有桥梁建立完善的技术档案管理制度。在桥梁维修检查中，引用新型精密的测量仪表，如用声测法对结构材料的缺陷以及弹性模量进行测定；用手携式金相摄影仪检查钢材的晶体结构俾能及早进行加固防患于末然，以便延长桥梁的使用寿命。 桥梁工程始终是在生产发展与各类科学技术进步的综合影响下，遵循适用、安全、经济与美观的原则，不断的向前发展。人们除了要求桥的功能完善，还讲求桥的外形美观、有艺术性 ，桥梁地建造将更加复杂化，更加艺术化，桥梁的未来将更加多元化，是现代桥梁更现代，还是旧式桥梁的复兴，值得期待！ 中国桥梁的历史可以上溯到6000年前的氏族公社时代，到了1000多年前的隋、唐、宋三代，古代桥梁发展到了巅峰时期。公元35年东汉光武帝时，在今宜昌和宜都之间，出现了架 设在长江上的第一座浮桥。 在秦汉时期，我国已广泛修建石粱桥。世界上现在是保 存着的最长、工程最艰巨的石粱桥，就是我国于1053一1059年 在福建泉州建造的万安桥，也称洛阳桥，此桥长达800米，共47 孔，位于“波涛汹涌，水深不可址”的海口江面上。此桥以 磐石铺遍桥位底，是近代筏形基础的开端，并且独具匠心地用养殖海生牡蛎的方法胶固桥基使成整体，此也是世界上 绝无仅有的造桥方法，近千年前就能在这种艰难复杂的水文 条件下建成如此的长桥，实是中华桥梁史上一次勇敢的突破。 我国古代石拱桥的杰出代表是举世闻名的河北省赵 县的赵州桥（又称安济桥），该桥在隋大业初年（公元605年左 右）为李春所创建，是一座空腹式的圆弧形石拱桥，净跨37m, 宽9m，拱失高度7．23m，在拱圈两肩各设有二个跨度不等的腹 拱，这样既能减轻桥身自重，节省材料，又便于排洪、增加美 观，赵州桥的设计构思和工艺的精巧，不仅在我国古桥是首屈一指，据世界桥梁的考证，像这样的敞肩拱桥，欧洲到19世纪中叶才出现，比我国晚了一千二百多年，赵州桥的雕 刻艺术，包括栏板、望柱和锁口石等，其上狮象龙兽形态逼 真，琢工的精致秀丽，不愧为文物宝库中的艺术珍品，我国 石拱桥的建造技术在明朝时曾流传到日本等国，促进了与世 界各国人民的文化交流并增进了友谊。 1240年建造的福建潭州虎渡桥，也是最令人惊奇的一 座粱式大桥，此桥总长约335m，某些石粱长达23．7m，沿宽度 用三根石粱组成，每根宽1．7m，高1．9m，重达200多吨，该桥一直 保存至今”历史记载，这些巨大石梁桥是利用潮水涨落浮运建 设的，足见我国古代加工和安装桥梁的技术何等高超。 广东潮安县横跨韩江的湘子桥（又名广济桥）此桥始 建于公元1169年，全桥长517．95m，总共20墩19孔，上部结构有 石拱、木梁、石梁等多种型式，还有用18条活船组成的长达 97．30m的开合式浮桥，设置浮桥的目的，一方面适应大型商 船和上游木排的通过，并且也避免了过多的桥墩阻塞河道， 以致加剧桥基冲刷而造成水害，这座世界上最早的开合式 桥，柱石桥之长、石墩之大、桥梁之多以及施工条件之困难 工程历时之久，都是古代建桥史上所罕见的。。 1957年，第一座长江大桥——武汉长江大桥的胜利建 成，结束了我国万里长江无桥的状况，从此“一桥飞架南北，天堑变通途”，桥的正桥为三联3X128m的连续钢桁粱，双 线铁路上层公路桥面宽18m，两侧各设2．25m人行道，包括引 桥在内全桥总长1670．4物，大型钢梁的制造和架设、深水管柱基础的施工等，对发展我国现代桥染技术开创了新路。 1969年胜利建成了举世瞩目的南京长江大桥，这是我国自行设计、制造、施工，并使用国产高强钢材的现代大型桥梁，正桥除北岸第一孔为128m简支钢桁粱外，其余为9 孔3联，每联为3x l60m的连续钢桁粱。上层是公路桥面，下层 为双线铁路，包括引桥在内，铁路部分全长6772m，公路部 分为4589m，桥址处水深流急，河床地，质极为复杂桥墩基础 的施工非常困难。南京长江大桥的建成显示出我国的建桥事 业已达到了世界先进水平，也是我国桥梁史又一个重要标 志。 在最近的1000年中，中国的桥梁技术全面落后于世界的脚步，中国第一座现代化桥梁的出现距今仅100多年历史，而且是由外国人建造的。从钱塘江大桥算起，中国人自己设计现代桥梁的历史还不足70年；从南京长江大桥算起，中国人自行设计建造大型桥梁的历史仅34年。而九十年代以来，中国桥梁的成就才使我们重新无愧于祖先地站到了世界前列，这是中国桥梁建设的伟大复兴时代。改革开放以来的20多年中，中国的桥梁建造技术取得了举世瞩目的成就，前十年为此做了经济上、技术上和人才上的准备，九十年代迎来了跨越式的发展。展望未来，随着中国经济的发展，一批更大的越江跨海工程的建设，中国桥梁将会创造更辉煌的成就。中华民族的伟大复兴，必将造就一代巨人去引领世界桥梁的未来。 1990年四川省在宜宾市建成的小南门桥，跨径达到240米，已是当时世界上中承式拱桥中跨径最大的一座。2001年11月7日，小南门大桥因吊杆锈蚀造成部分桥面跨塌，在修复过程中，技术人员对全桥进行了检测，大桥整体结构依然完好。小南门大桥所付出的代价是创新的代价，没有创新我们就不可能一睹1400年前的赵州桥。 1991年，四川省苍溪县建成了中国第一座钢管混凝土拱桥——旺苍大桥，跨径115米。在此之后的几年中，各地虽然兴建了不少钢管混凝土拱桥，但跨径始终在200米以下徘徊，直到1998年，广西壮族自治区建成了三岸邕江大桥，一举将此类桥梁的跨径提高到270米；1999年又建成了跨径220米的六景大桥。此后，在湖北、浙江和贵州等省，跨径在250米左右的钢管混凝土公路、铁路拱桥开始增多。 1995年贵州省瓮安县建成江界河大桥，首次突破了中国混凝土拱桥跨径 300米大关,达到330米，一举成为世界最大的桁式组合拱桥。不仅如此，其拱顶桥面至水面高度达263米，居中国各类桥梁之首。大桥一跨飞跃乌江天险，主孔分108个桁片预制，运用桁架伸臂法悬拼架设，两岸引孔为桁式刚构，全桥轻盈简洁，凌空飞渡，气势不凡。 1997年重庆万县长江大桥建成。大桥位于万州区（原万县市）黄牛孔处，是上海至成都高速公路跨越峡江天险的特大型拱桥。大桥一跨飞渡长江，全长 米，主拱圈为钢管混凝土劲性骨架箱型混凝土结构，主跨420米，桥面宽24米，为双向四车道，是1995年贵州省瓮安县建成江界河大桥，首次突破了中国混凝土拱桥跨径 300米大关,达到330米，一举成为世界最大的桁式组合拱桥。不仅如此，其拱顶桥面至水面高度达263米，居中国各类桥梁之首。大桥一跨飞跃乌江天险，主孔分108个桁片预制，运用桁架伸臂法悬拼架设，两岸引孔为桁式刚构，全桥轻盈简洁，凌空飞渡，气势不凡。 华夏第一桥——江阴长江公路大桥，是我国“八五”规划的“两纵两横”国道主干线中沿海主骨架的跨江工程，是目前 中国第一、世界第四大跨径钢悬索桥。大桥由桥塔、主缆、锚旋和钢箱梁等主要部件组成。大桥全长3071 米，主跨1385米；桥面宽33．8米，双向六车道，设计车速100公里／小时；通航净空为50米，可通行五万 吨级巴拿马型散货轮。江阴长江公路大桥的两根主索，各长2400多米，直径近1米，每根重1．4万 多吨，主索用127根直径5．3毫米的钢丝搅成索，再由169股钢索组成主索。主桥每边有85个吊杆，每个吊杆2根，用以连结主索和桥面。 两岸索塔标高为196．236米，相当于65层搂高。北塔基长43．5米，宽73．5米，下有123根近90米长的基础桩。北锚的混凝土陈井平面长69米，宽51米（面积相当于一片足球场大）。沉入地面58米，被称为世界第一大沉井。江阴长江大桥于1994年11月22日正式开工，1999年10月1日胜利通车，名列“中国第一，世界第四”。 改革开放以来的20多年中，中国的桥梁建造技术取得了举世瞩目的成就，前十年为此做了经济上、技术上和人才上的准备，九十年代迎来了跨越式的发展。展望未来，随着中国经济的发展，一批更大的越江跨海工程的建设，中国桥梁将会创造更辉煌的成就。中华民族的伟大复兴，必将造就一代巨人去引领世界桥梁的未来。

纳米材料技术作为一门高新科学技术，纳米技术具有极大的价值和作用。下面我给大家分享一些纳米材料与技术3000字论文， 希望能对大家有所帮助！纳米材料与技术3000字论文篇一：《试谈纳米复合材料技术发展及前景》 [摘要]纳米材料是指材料显微结构中至少有一相的一维尺度在100nm以内的材料。纳米材料由于平均粒径微小、表面原子多、比表面积大、表面能高，因而其性质显示出独特的小尺寸效应、表面效应等特性，具有许多常规材料不可能具有的性能。纳米材料由于其超凡的特性，引起了人们越来越广泛的关注,不少学者认为纳米材料将是21世纪最有前途的材料之一，纳米技术将成为21世纪的主导技术。 [关键词]高聚物纳米复合材料 一、 纳米材料的特性 当材料的尺寸进入纳米级，材料便会出现以下奇异的物理性能： 1、尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或投射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面附近原子密度减小，导致声、光电、磁、热、力学等特性呈现出新的小尺寸效应。如当颗粒的粒径降到纳米级时，材料的磁性就会发生很大变化，如一般铁的矫顽力约为80A/m，而直径小于20nm的铁，其矫顽力却增加了1000倍。若将纳米粒子添加到聚合物中，不但可以改善聚合物的力学性能，甚至还可以赋予其新性能。 2、表面效应 一般随着微粒尺寸的减小，微粒中表面原子与原子总数之比将会增加，表面积也将会增大，从而引起材料性能的变化，这就是纳米粒子的表面效应。 纳米微粒尺寸d(nm) 包含总原子表面原子所占比例(%)103×1042044××1028013099从表1中可以看出，随着纳米粒子粒径的减小，表面原子所占比例急剧增加。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，很容易与 其它 原子结合。若将纳米粒子添加到高聚物中，这些具有不饱和性质的表面原子就很容易同高聚物分子链段发生物理化学作用。 3、量子隧道效应 微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，这称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。它的研究对基础研究及实际 应用，如导电、导磁高聚物、微波吸收高聚物等，都具有重要意义。 二、高聚物/纳米复合材料的技术进展 对于高聚物/纳米复合材料的研究十分广泛，按纳米粒子种类的不同可把高聚物/纳米复合材料分为以下几类： 1、高聚物/粘土纳米复合材料 由于层状无机物在一定驱动力作用下能碎裂成纳米尺寸的结构微区，其片层间距一般为纳米级，它不仅可让聚合物嵌入夹层，形成“嵌入纳米复合材料”，还可使片层均匀分散于聚合物中形成“层离纳米复合材料”。其中粘土易与有机阳离子发生交换反应，具有的亲油性甚至可引入与聚合物发生反应的官能团来提高其粘结。其制备的技术有插层法和剥离法，插层法是预先对粘土片层间进行插层处理后，制成“嵌入纳米复合材料”，而剥离法则是采用一些手段对粘土片层直接进行剥离，形成“层离纳米复合材料”。 2、高聚物/刚性纳米粒子复合材料 用刚性纳米粒子对力学性能有一定脆性的聚合物增韧是改善其力学性能的另一种可行性 方法 。随着无机粒子微细化技术和粒子表面处理技术的 发展 ，特别是近年来纳米级无机粒子的出现，塑料的增韧彻底冲破了以往在塑料中加入橡胶类弹性体的做法。采用纳米刚性粒子填充不仅会使韧性、强度得到提高，而且其性价比也将是不能比拟的。 3、高聚物/碳纳米管复合材料 碳纳米管于1991年由 发现，其直径比碳纤维小数千倍，其主要用途之一是作为聚合物复合材料的增强材料。 碳纳米管的力学性能相当突出。现已测出碳纳米管的强度实验值为30-50GPa。尽管碳纳米管的强度高，脆性却不象碳纤维那样高。碳纤维在约1%变形时就会断裂，而碳纳米管要到约18%变形时才断裂。碳纳米管的层间剪切强度高达500MPa，比传统碳纤维增强环氧树脂复合材料高一个数量级。 在电性能方面，碳纳米管作聚合物的填料具有独特的优势。加入少量碳纳米管即可大幅度提高材料的导电性。与以往为提高导电性而向树脂中加入的碳黑相比，碳纳米管有高的长径比，因此其体积含量可比球状碳黑减少很多。同时，由于纳米管的本身长度极短而且柔曲性好，填入聚合物基体时不会断裂，因而能保持其高长径比。爱尔兰都柏林Trinity学院进行的研究表明，在塑料中含2%-3%的多壁碳纳米管使电导率提高了14个数量级，从10-12s/m提高到了102s/m。 三、前景与展望 在高聚物/纳米复合材料的研究中存在的主要问题是：高聚物与纳米材料的分散缺乏专业设备，用传统的设备往往不能使纳米粒子很好的分散，同时高聚物表面处理还不够理想。我国纳米材料研究起步虽晚但 发展 很快，对于有些方面的研究 工作与国外相比还处于较先进水平。如：漆宗能等对聚合物基粘土纳米复合材料的研究;黄锐等利用刚性粒子对聚合物改性的研究都在学术界很有影响;另外，四川大学高分子 科学 与工程国家重点实验室发明的磨盘法、超声波法制备聚合物基纳米复合材料也是一种很有前景的手段。尽管如此，在总体水平上我国与先进国家相比尚有一定差距。但无可否认，纳米材料由于独特的性能，使其在增强聚合物 应用中有着广泛的前景，纳米材料的应用对开发研究高性能聚合物复合材料有重大意义。特别是随着廉价纳米材料不断开发应用，粒子表面处理技术的不断进步，纳米材料增强、增韧聚合物机理的研究不断完善，纳米材料改性的聚合物将逐步向 工业 化方向发展，其应用前景会更加诱人。 参考 文献 ： [1] 李见主编.新型材料导论.北京：冶金工业出版社，1987. [2]都有为.第三期工程科技 论坛 ——‘纳米材料与技术’ 报告 会. [3]rohlich J，Kautz H，Thomann R[J].Polymer，2004，45(7)：2155-2164. 纳米材料与技术3000字论文篇二：《试论纳米技术在新型包装材料中的应用》 【摘 要】作为一门高新科学技术，纳米技术具有极大的价值和作用。进入20世纪90年代，纳米科学得到迅速的发展，产生了纳米材料学、纳米化工学、纳米机械学及纳米生物学等，由此产生的纳米技术产品也层出不穷，并开始涉及汽车行业。 【关键词】纳米技术 包装材料 1 纳米技术促进了汽车材料技术的发展 纳米技术可应用在汽车的任何部位，包括发动机、底盘、车身、内饰、车胎、传动系统、排气系统等。例如，在汽车车身部分，利用纳米技术可强化钢板结构，提高车体的碰撞安全性。另外，利用纳米涂料烤漆，可使车身外观色泽更为鲜亮、更耐蚀、耐磨。内装部分，利用纳米材料良好的吸附能力、杀菌能力、除臭能力使室内空气更加清洁、安全。在排气系统方面，利用纳米金属做为触媒，具有较高的转换效果。 由于纳米技术具有奇特功效，它在汽车上得到了广泛的应用，提升汽车性能的同时延长使用寿命。 2 现代汽车上的纳米材料 (1)纳米面漆。汽车面漆是对汽车质量的直观评价，它不但决定着汽车的美观与否，而且直接影响着汽车的市场竞争力。所以汽车面漆除要求具有高装饰性外，还要求有优良的耐久性，包括抵抗紫外线、水分、化学物质及酸雨的侵蚀和抗划痕的性能。纳米涂料可以满足上述要求。纳米颗粒分散在有机聚合物骨架中，作承受负载的填料，与骨架材料相互作用，有助于提高材料的韧性和其它机械性能。研究表明，将10%的纳米级TiO2粒子完全分散于树脂中，可提高其机械性能，尤其可使抗划痕性能大大提高，而且外观好，利于制造汽车面漆涂料;将改性纳米CaCO3以质量分数15%加入聚氨酯清漆涂料中，可提高清漆涂料的光泽、流平性、柔韧性及涂层硬度等。 纳米TiO2是一种抗紫外线辐射材料，加之其极微小颗粒的比表面积大，能在涂料干燥时很快形成网络结构，可同时增强涂料的强度、光洁度和抗老化性;以纳米高岭土作填料，制得的聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料不仅透明，而且吸收紫外线，同时也可提高热稳定性，适合于制造汽车面漆涂料。 (2)纳米塑料。纳米塑料可以改变传统塑料的特性，呈现出优异的物理性能：强度高，耐热性强，比重更小。随着汽车应用塑料数量越来越多，纳米塑料会普遍应用在汽车上。主要有阻燃塑料、增强塑料、抗紫外线老化塑料、抗菌塑料等。阻燃塑料是燃烧时，超细的纳米材料颗粒能覆盖在被燃材料表面并生成一层均匀的碳化层，起到隔热、隔氧、抑烟和防熔滴的作用，从而起到阻燃作用。 目前汽车设计要求规定，凡通过乘客座舱的线路、管路和设备材料必须要符合阻燃标准，例如内饰和电气部分的面板、包裹导线的胶套，包裹线束的波纹管、胶管等，使用阻燃塑料比较容易达到要求。增强塑料是在塑料中填充经表面处理的纳米级无机材料蒙脱土、CaCO3、SiO2等，这些材料对聚丙烯的分子结晶有明显的聚敛作用，可以使聚丙烯等塑料的抗拉强度、抗冲击韧性和弹性模量上升，使塑料的物理性能得到明显改善。 抗紫外线老化塑料是将纳米级的TiO2、ZnO等无机抗紫外线粉体混炼填充到塑料基材中。这些填充粉体对紫外线具有极好的吸收能力和反射能力，因此这种塑料能够吸收和反射紫外线，比普通塑料的抗紫外线能力提高20倍以上。据报道这类材料经过连续700小时热光照射后，其扩张强度损失仅为10%，如果作为暴露在外的车身塑料构件材料，能有效延长其使用寿命。抗菌塑料是将无机的纳米级抗菌剂利用纳米技术充分地分散于塑料制品中，可将附着在塑料上的细菌杀死或抑制生长。这些纳米级抗菌剂是以银、锌、铜等金属离子包裹纳米TiO2、CaCO3等制成，可以破坏细菌生长环境。据介绍无机纳米抗菌塑料加工简单，广谱抗菌，24小时接触杀菌率达90%，无副作用。 (3)纳米润滑剂。纳米润滑剂是采用纳米技术改善润滑油分子结构的纯石油产品，它不会对润滑油添加剂、稳定剂、处理剂、发动机增润剂和减磨剂等产品产生不良作用，只是在零件金属表面自动形成纯烃类单个原子厚度的一层薄膜。由于这些微小烃类分子间的相互吸附作用，能够完全填充金属表面的微孔，最大可能地减小金属与金属间微孔的摩擦。与高级润滑油或固定添加剂相比，其极压可增加3倍-4倍，磨损面减小16倍。由于金属表面得到了保护，减小了磨损，使用寿命成倍增加。 另外，由于纳米粒子尺寸小，经过纳米技术处理的部分材料耐磨性是黄铜的27倍、钢铁的7倍。目前纳米陶瓷轴承已经应用在奔驰等高级轿车上，使机械转速加快、质量减小、稳定性增强，使用寿命延长。 (4)纳米汽油。纳米汽油最大优点是节约能源和减少污染，目前已经开始研制。该技术是一种利用现代最新纳米技术开发的汽油微乳化剂。它能对汽油品质进行改造，最大限度地促进汽油燃烧，使用时只要将微乳化剂以适当比例加入汽油便可。交通部汽车运输节能技术检测中心的专家经试验后认为，汽车在使用加入该微乳化剂的汽油后，可降低其油耗10%～20%，增加动力性能25%，并使尾气中的污染物(浮碳、碳氢化合物和氮氧化合物等)排放降低50%～80%。它还可以清除积碳，提高汽油的综合性能。更令人注意的是，纳米技术应用在燃料电池上，可以节省大量成本。因为纳米材料在室温条件下具有优异的储氢能力。根据实验结果，在室温常压下，约2/3的氢能可以从这些纳米材料中得以释放，故其能替代昂贵的超低温液氢储存装置。 (5)纳米橡胶。汽车中橡胶材料的应用以轮胎的用量最大。在轮胎橡胶的生产中，橡胶助剂大部分成粉体状，如炭黑、白炭黑等补强填充剂、促进剂、防老剂等。以粉体状物质而言，纳米化是现阶段橡胶的主要发展趋势。新一代纳米技术已成功运用其它纳米粒子作为助剂，而不再局限于使用炭黑或白炭黑，汽车中最大的改变即是，轮胎的颜色已不再仅限于黑色，而能有多样化的鲜艳色彩。另外无论在强度、耐磨性或抗老化等性能上，新的纳米轮胎均较传统轮胎都优异，例如轮胎侧面胶的抗裂痕性能将由10万次提高到50万次。 (6)纳米传感器。传感器是纳米技术应用的一个重要领域，随着纳米技术的进步，造价更低、功能更强的微型传感器将广泛应用在社会生活的各个方面。半导体纳米材料做成的各种传感器，可灵敏地检测温度、湿度和大气成分的变化，这在汽车尾气和大气环境保护上已得到应用。纳米材料来制作汽车尾气传感器，可以对汽车尾气中的污染气体进行吸附与过滤，并对超标的尾气排放情况进行监控与报警，从而更好地提高汽车尾气的净化程度，降低汽车尾气的排放。我国纳米压力传感器的研制已获得成功，产品整体性能超过国外的超微传感器，缩小了我国在这一技术领域与世界先进国家存在的差距。有专家认为，到2020年，纳米传感器将成为主流。 (7)纳米电池。早在1991年被人类发现的碳纳米管韧性很高，导电性极强，兼具金属性和半导体性，强度比钢高100倍， 密度只有钢的1/6。我国科学家最近已经合成高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究一举跃入世界先进行列。此种新材料能储存和凝聚大量的氢气，并可做成燃料电池驱动汽车，储氢材料的发展还会给未来的交通工具带来新型的清洁能源。 结语 随着材料技术的发展，纳米技术已成为当今研究领域中最富有活力，对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象。纳米科技正在推动人类社会产生巨大的变革，未来汽车技术的发展，有极大部分与纳米技术密切相关，纳米材料和纳米技术将会给汽车新能源、新材料、新零部件带来深远的影响。对于汽车制造商而言，纳米技术的有效运用，有效地促进技术升级、提升附加价值。相信在不久的将来，纳米技术必将在汽车的制造领域得到更广泛的应用。 参考文献 [1]肖永清.纳米技术在汽车上的应用[J].轻型汽车技术，. [2]潘钰娴，樊琳.纳米材料的研究和应用[J].苏州大学学报(工科版)，2002. [3]周李承，蒋易，周宜开，任恕，聂棱.光纤纳米生物传感器的现状及发展[J].传感器技术，2002，(1)：18～21 纳米材料与技术3000字论文篇三：《试谈纳米技术及纳米材料的应用》 摘要：本文主要论述了纳米材料的兴起、纳米材料及其性质表现、纳米材料的应用示例、纳米材料的前景展望，以供与大家交流。 关键词：纳米材料;应用;前景展望 1.纳米技术引起纳米材料的兴起 1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。80年代初，德国科学家成功地采用惰性气体凝聚原位加压法制得纯物质的块状纳米材料后，纳米材料的研究及其制备技术在近年来引起了世界各国的普遍重视。由于纳料材料具有独特的纳米晶粒及高浓度晶界特征以及由此而产生的小尺寸量子效应和晶界效应，使其表现出一系列与普通多晶体和非晶态固体有本质差别的力学、磁、光、电、声等性能，使得对纳米材料的制备、结构、性能及其应用研究成为90年代材料科学研究的 热点 。1991年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年，纳米产品的年营业额达到500亿美元。 2.纳米材料及其性质表现 纳米材料 纳米(nm)是长度单位，1纳米是10-9米(十亿分之一米)，对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，不如，人的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一般为3000-5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级;对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。 纳米材料的特殊性质 纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径，导致了高扩散率，它对蠕变，超塑性有显著影响，并使有限固溶体的固溶性增强、烧结温度降低、化学活性增大、耐腐蚀性增强。因此纳米材料所表现的力、热、声、光、电磁等性质，往往不同于该物质在粗晶状态时表现出的性质。与传统晶体材料相比，纳米材料具有高强度——硬度、高扩散性、高塑性——韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率、强软磁性能。这些特殊性能使纳米材料可广泛地用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、润滑剂等领域。 3.纳米材料的应用示例 目前纳米材料主要用于下列方面： 高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料 纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中，力学性能提高约一个量级，还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤：起始溶液的制备与混和;喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末;再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂，可以抑制烧结过程中的晶粒长大。 纳米结构软磁材料 Finemet族合金已经由日本的Hitachi Special Metals，德国的Vacuumschmelze GmbH和法国的 Imply等公司推向市场，已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的 Alps Electric Co.一直在开发Nanoperm族合金，该公司与用户合作，不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。 电沉积纳米晶Ni 电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构，但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份，电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大，添加溶质并使其偏析在晶界上，以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应，可实现结构的稳定。例如，添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布，表现为Hall-Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点，使管材的内涂覆，尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为 EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中，微合金化的涂层晶粒尺寸约为100nm，材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍，延伸率为15%。晶间开裂抗力大为改善。 基纳米复合材料 Al基纳米复合材料以其超高强度(可达到)为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子，合金元素包括稀土(如Y、Ce)和过渡族金属(如 Fe、Ni)。通常必须用快速凝固技术(直接淬火或由初始非晶态通火)获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似，即室温下超常的高屈服应力和加工软化(导致拉神状态下的塑性不稳定性)。这类纳米材料(或非晶)可以固结成块材。例如，在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体，晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100～200nm，镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为～1GPa，拉伸韧性得到改善。另外，这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化，注册为Gigas TM。雾化的粉末可以固结成棒材，并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑性行为：在1s-1的高应变速率下，延伸率大于500%。 4.纳米材料的前景趋向 经过我国材料技术人员多年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子，纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。可以预测：不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生;用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用;分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将被研究制造出来。 近年来还有一些引人注目的发展趋势新动向，如：(1)纳米组装体系蓝绿光的研究出现新的苗头;(2)巨电导的发现;(3)颗粒膜巨磁电阻尚有潜力;(4)纳米组装体系设计和制造有新进展。

碳纤维工艺毕业论文

碳纤维复合材料是建造高性能机器人的理想材料之一，目前世界上发达国家的空间机器人和大型机械臂多由此种材料制作而成。碳纤维复合材料具有优良的物理特性，它的比强度高，比刚度大，力学性能可以通过设计进行控制改变，而且其在不同温度中变形极微。

以往的工业机器人是由钢和铝制成的，一个一米长的铝结构机械臂杆件，在室温变化12℃的环境里，杆件变化，这将大大影响机器人的精度。对高模量碳纤维复合材料来说，如果优化设计纤维的铺层和方向，却可以达到近似零热变形的设计效果，这是普通金属材料无法实现的。

对于给定的机器人运动（具有一定的载荷，在一定的速度下），末端操作器的弹性动力学响应、机械精度、重复性、末端操作器的稳态时间等特性都受到结构部件的质量、刚度、阻尼特性的影响。从力学方面分析，减少质量将降低惯量，提高操作速度；增加刚度将降低挠度；增加材料的阻尼将减少稳态时间。通过设计，合理地选择机械臂的材料特性和几何尺寸，适当选择变量，通过这些特性的改进将有利于提高控制精度。

我们在使用碳纤维复合材料制作机械臂时发现，碳纤维复合材料的铺层方式对上述机械臂的耐热性和力学性能产生直接影响。因此，下面将以无锡威盛新材料科技有限公司(简称：威盛新材）的碳纤维机械臂生产为案例，对该问题作一个简单的分析和说明。

??

无锡威盛新材料科技有限公司的科研团队主攻碳纤维复合材料的研发和生产已有十多年的时间，特别是在碳纤维机械臂的应用方面，是属于国内起步较早、发展较快的一家碳纤维装备制造商。其为哈尔滨某知名机器人制造企业制造的机械臂已进入批量生产环节，在行业内具有一定的影响力，在机械臂的生产制造方面也有许多经验可供借鉴。在制作机械臂时，威盛新材对碳纤维复合材料的铺层处理，主要是根据机器人的性能需求，确定碳纤维复合材料的铺层方向、铺层的顺序和铺层总层数。

1、根据载荷的主方向设定铺层方向

过多的铺层角度取向会给设计工作以及制件成型增加复杂度，所以在满足设计要求的情况下尽可能减少铺层方向数，在铺层设计时，铺层角度一般多选取0°、+45°、-45°、90°这四种，对于其它特殊情况则需另案处理。如果需要将复合材料层合板设计成为准各向同性的，可以用60°的铺层方向（60/0/-60)s，对于使用缠绕工艺制造的制件来说，则不受这些限制。

在实际操作中，角度取向需要根据所承担载荷的类型来选择，即为了最大程度的利用纤维在轴向上的高性能，纤维铺设方向要根据载荷的主方向设定，在点应力状态，角度为0°的铺层对应正应力，角度为±45°的铺层对应剪应力，角度为90°的铺层是用来保证在复合材料制件的径向上有足够的正压力，若复合材料制件承受的载荷以拉压载荷为主，那么铺层方向应该选择拉压载荷的方向；若复合材料制件承受的载荷以剪切载荷为主，那么铺层之中要以+45°和-45°成对铺设为主；若复合材料制件所承受的载荷情况复杂，同时包括多种载荷，那么铺层设计时以0°、±45°、90°多方向混合铺设。

2、调整铺设方式增加碳纤维复合材料的整体性能

为了避免复合材料机械臂制件的基体在各方向上承受载荷，对于选择0°、+45°、-45°、90°四种基本铺层方式铺层的复合材料制件，每一个方向的铺层数占总铺层数的百分比应不小于6％-10％。

在具体铺设时，一般复合材料制件的铺层均采取对称均衡铺设。对称均衡铺设的特点就是在整体的铺层之中，上下铺层关于中间面对称，如果需要设计成非对称均衡铺层，应将这类非均衡或是非对称的铺层布置于靠近整体铺层中间的位置，这种方式能有效避免复合材料制件经历拉-弯耦合、拉-剪耦合之后发生翘曲形变。

在铺设的顺序上还应注意两个方面：第一，为了减少按照相同的方式铺放的相邻两层分层开裂的可能性，一般连续的相同铺层不超过四层，对性能要求更高的复合材料制件不超过两层；第二，为了降低机械臂的层间应力，在使用上述四种铺层角度时，应该尽量将0°层或者90°层布置在±45°层中间，将﹢45°层或者是-45°层布置在0°层与90°层中间。

3、铺层总厚度要兼顾外部尺寸和内部空间

为了不减工业机器人原有的自由度，并保证其原有性能，碳纤维复合材料机械臂在设计时，要维持外部尺寸大小不变，机械臂的内部同时要给布线以及控制电路的安装留有足够的空间，所以机械臂的壳体厚度要在一定的区间内，下限是维持原有性能的最低值，上限是不超过原铸铁结构臂厚度。

通过威盛新材批量生产出的机械臂案例可知，该碳纤维复合材料机械臂制造成本大约是铸铁机械臂的倍，但是在满足工业机器人性能要求的前提下，碳纤维复合材料机械臂要比铸铁机械臂重量减轻72％，机器人的动力学性能因而得到显著提升，同时能耗明显降低。使用碳纤维复合材料替代传统的钢和铝制作机械臂对提升工业生产效率、节约能源保护环境等方面意义重大。我们也相信，随着我国对碳纤维复合材料的基本性能、典型结构、强度分析及成型工艺等方面研究的深入，碳纤维复合材料将在机器人制造中扮演着越来越重要的角色。

参考文献

【1】陈丰，《碳纤维复合材料机械臂设计》，《郑州工学院学报》，1992，12.

【2】田龙飞，《工业机器人用碳纤维复合材料上臂的设计》，中国科学院大学2014年硕士毕业论文。

复合材料的成型工艺简单。纤维增强复合材料一般适合于整体成型，因而减少了零部件的数目，从而可减少设计计算工作量并有利于提高计算的准确性。另外，制作纤维增强复合材料部件的步骤是把纤维和基体粘结在一起，先用模具成型，而后加温固化，在制作过程中基体由流体变为固体，不易在材料中造成微小裂纹，而且固化后残余应力很小。

在项目建设中,材料的选择直接影响着工程造价,尤其是新型建筑材料的投入往往会使工程造价大幅度增减。下面是我为大家整理的材料工程 毕业 论文，供大家参考。

材料工程毕业论文 范文 一：金属材料工程专业实践教学研究

摘要：通过对实践教学在新形势下的重要性及意义进行阐述，结合沈阳化工大学的发展定位，以化工行业为依托，对金属材料工程专业实践教学模式进行改革，优化专业课程的实践教学，加强校企合作，强化实践教学的管理，构建了完善的金属材料工程专业实践教学体系，努力培养学生创新能力，使其成为高素质应用型人才。

关键词：金属材料工程;实践教学;教学改革;人才培养

沈阳化工大学金属材料工程专业是应社会经济发展需求，尤其是化工行业建设的需求，在原金工教研室师资力量和实验设备条件的基础上，经过充分的论证、申请，于2006年国家教委批准，开始面向全国招生，同年获批材料学硕士学位授予权。在专业建设中，充分发挥化工大学化工行业特色优势及高素质专业教师队伍的优势，不断改革完善培养方案、培养模式，逐步形成了立足行业、与辽宁工业产业紧密衔接、全方位实践创新能力培养的专业特色，专业定位符合本校办学定位和发展方向，已纳入本校专业建设规划并进行重点建设，成效显著。在2013年辽宁省普通高等学校本科专业综合评价中，全省九所学校金属材料工程专业参评，沈阳化工大学的金属材料工程专业排名第二。实践教学是培养本科生理论联系实际，也是培养本科生创新意识和创新能力的主要途径[1]。但近年来，在市场经济的影响下，许多生产企业以影响生产和安全为由不愿接待本科生实习，同时，本科生实习的积极性也不高，导致实习效果不尽如人意。

1金属材料工程专业实践教学的现状

当前我国普通院校本科生 教育 普遍存在的一个突出问题是本科生创新意识差和创新能力不足，动手能力较很弱，难以适应激烈的市场竞争和知识经济的快速发展的需要[2]。而实践教学是培养本科生综合素质，提高本科生解决实际问题的能力，以及促使本科生将所学的理论知识向实际技能转化的环节。通过实践教学可以巩固、加深本科生对所学的理论知识的理解，并能够培养本科生严肃认真的科学态度[3]。高等学校中的传统的金属材料工程专业实践教学通常具有如下特点：首先，本科生实验教学内容主要以演示性、验证性实验居多，综合性实验和设计性实验相对较少，实验教学多以模仿为主，创新内容涉及较少。其次，部分本科生的课程设计和毕业设计与实际生产相脱节，影响本科生的就业竞争力。最后，由于受到现实条件的限制，目前的本科生生产实习和毕业实习主要采取到相关企业生产现场进行观摩教学的方式，大多数本科生很难彻底认识企业生产的组织和实施过程。实践教学环节存在的这些问题制约着本科生创新能力的提高[4]，为培养二十一世纪合格的金属材料专业人才，沈阳化工大学金属材料工程专业近年来对金属材料工程专业实践教学体系进行了一系列改革，形成了稳定而有效的实践性教学体系。

2专业课程实验的优化

为培养二十一世纪化工行业合格的金属材料工程专业人才，自2006年以来，沈阳化工大学金属材料工程专业对实验教学内容统筹规划、整体安排。经过几年的改革和实践，建立了具有化工行业特点及金属材料工程专业特色、科学合理的实验教学内容，结合沈阳化工大学的化工特色，针对化工单元设备的主要加工 方法 ，如压力加工、焊接、机械加工及化工单元设备的腐蚀问题。强化金属塑性加工原理、焊接冶金学、焊接工艺与设备、金属腐蚀与防护、金属热处理和材料无损检测等主要专业课程。这些主要专业课程均设置有实验内容，同时优化了验证性实验，增加了综合性和设计性实验的数量，使本科生动手能力得到提高。巩固科研教学资源化的成果，进一步完善校内实践实训基地的建设，创造学生动手操作的条件，培养学生的工程实践能力。此外，金属材料工程专业每年投入一定的资金对现有实验设备进行改造，更新部分专业实验，增加创新性实验硬件条件，增加开放实验室公用设备的种类及台套数。进一步开放实验室，一周至少两天全天开放实验室，保证本科生根据需要自主进行实验。

3加强校企合作，强化实习管理

原有认识实习、生产实习、毕业实习的企业很多设备比较陈旧，几乎没有先进的设备和技术，实习效果大打折扣，为此，近年来金属材料工程专业增加个性化实习，采用校企合作，结合学生的 兴趣 爱好 、就业方向、教师的科研课题以及就业单位的培训等等，分别送学生到企业去学习实践，为方便学生到企业实习，金属材料工程专业先后建立了与沈阳铸锻工业有限公司、富奥辽宁汽车弹簧有限公司、抚顺机械设备制造有限公司等十余家企业的实习基地。通过实习基地，加强了与相关企事业单位的合作，利用其设备开展金属材料工程专业的实践教学，结合企业实际进行企业课程教学、现场教学和案例教学，这样也促使本科生了解金属材料及其相关材料最新的科技发展动态，使本科生具有分析和解决生产中的实际问题的能力。对于本科生毕业论文和设计结合企业实际项目或在实践教育基地、企业开展，校内校外指导教师共同指导，以强化学生综合运用所学知识进行独立分析问题和解决问题的能力。为保证实习效果，加强本科生对实习的重视，金属材料工程专业主任及全体实习指导教师参加实习动员，强调实习过程安全问题，明确每次实习的集合时间、地点、着装和注意事项等。在实习期间，每到一个车间，先请车间主任介绍该车间的典型设备和工艺流程，使本科生在参观前对参观内容有大概了解。实习成绩评定主要依据实习期间的出勤、纪律、实习笔记、 实习 报告 等。通过各方的努力，大大增强了本科生实习的主动性。

4开展创新活动，推进实践教学

鼓励本科生积极开展多样化的科技创新活动[4-5]，例如参加教师的科研项目以及各类大学生竞赛等。通过组织各种类型、各种形式和不同层次的课外活动，将各类工程实践活动、创新实践训练、学科竞赛活动、学术前沿讲座、 社会实践 、公益活动等课外活动作为第二课堂课程模块纳入到课程体系中统一实施和管理。近年来，金属材料工程专业参赛学生项目获第三届全国机械创新设计大赛国家二等奖一项;“第十一届挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛国家三等奖一项;2011年、2013年分别获全国大学生英语竞赛三等奖、二等奖各一项;省级奖项几十多项。通过创新竞赛的开展，培养了学生的创新能力，同时也提高了教师指导学生创新的积极性，活跃了创新教育的氛围，为金属材料工程专业学生的个性发展提供平台，为学生毕业后从事科学研究活动奠定了一定的基础。

5结论

当今，素质教育快速发展[6-7]，金属材料在化工行业中占有举足轻重的地位，为培养二十一世纪化工行业合格的金属材料专业人才的需要，我们将继续优化实践课程建设，建设具有化工行业特点及金属材料工程专业特色、科学合理的实践教学内容，努力培养学生创新能力，使其毕业后能在化工企业、高等学校或科研院所从事金属材料及金属基复合材料的研究、成分-工艺及设备设计、组织和性能检验、生产制造、技术开发和经营管理等方面工作的高素质应用型人才。

参考文献

[1]胡宗智，吴敏，王燕，等.依托地域优势开展金属材料工程专业生产实习的创新实践[J].中国电力教育，2011(2)：129-130.

[2]甄睿，蔡璐.应用型本科院校金属材料工程专业人才培养和教学改革的思考[J].南京工程学院学报：社会科学版，2009，9(4)：65-68.

[3]胡宗智，邹隽，孙小华，等.金属材料工程专业创新型人才培养实践教学体系研究[J].中国电力教育，2013(26)：98-99.

[4]王荣，杨爱民，张骁勇，等.关于我校金属材料工程专业建设的思考[J]. 人力资源管理 ，2010(1)：46.

[5]王生朝，蔡素莉，高泽平，等.金属材料工程专业实践性教学改革研究[J].湖南工业大学学报，2011(5)98-101.

[6]孙建春，陈登明.金属材料工程专业实习教学的改革实践[J].中国冶金教育，2009(4)55-57，60.

[7]孙小华，胡宗智，黄才华，等.金属材料专业综合实验教学改革与实践[J].中国电力教育，2013(14)118-119.

材料工程毕业论文范文二：高分子材料工程硕士创新实验能力培养

摘要：

结合国内外的工程硕士教学现状，通过分析国内工程硕士的课题研究方向和企业需要解决的问题存在脱轨现象、上理论课时间不足等问题，在借助于国外先进 经验 的基础上，提出了双导师制、灵活培养模式，确保创新实验能力培养的效果，为企业培养“留得住，用得上”的高分子材料工程实践实力和创新能力的应用型高级人才。通过对工程硕士创新实验能力培养模式的实践与探索，使工程硕士研究生在理论知识和动手能力及 创新思维 积累方面得到一定的提高。

关键词：工程硕士;创新实验能力;培养模式

研究生培养作为高校培养人才的重要一环，其培养模式的探索与研究一直都受到高度重视[1，2]。在我国经济体制转型期，高层次复合人才在传统工矿企业和工程建设部门需求非常大，国家为了弥补学术型硕士实际操作能力相对较弱的特点，1997年国务院学位委员会正式批准设置工程硕士专业学位，而工程硕士创新实验能力培养又成了该领域的重要研究课题。

1国内外研究现状分析

美国的工程类硕士教育起源，可追溯到第二次世界大战以后。二战后，新知识、新技术、新材料、新工艺层出不穷，工程活动的涉及层面迅速拓宽，复杂性与日俱增，对工程教育产生了极大的影响[3]。其工程类硕士培养的最大特点就是面向专业实践应用而非学术研究，培养目标是未来设计和开发的工程师。美国自开展工程硕士教育以来，逐步形成了独特的、多样性的培养模式[4]。在美国学校工程类硕士培养的模式主要为培养方式的不同，如本硕连读制、远程教育三年制等，但其课程标准与学位要求是统一的，都必须遵循美国工程技术鉴定委员会(ABET)和各专业学会(协会)提供的统一的专业认证标准[5]。英国的硕士学位教育分成两种类型[6]。一种是给予课程学习的硕士，称为MSC(MSCourse);另一种是基于研究工作的硕士，称为MSphil(MSphilosophy)。此外，还有一种类似我国工程硕士的研究工程师学位。英国工程教育是以让毕业生取得专业头衔(即专业资格)为主要目标。经过20多年的发展，英国的专业资格已经把学术资格和职业资格融为一体。严格的入门要求、多样化的候选资格，加上灵活的注册路线，保证了专业资格的质量。我国工程硕士教育从1984年提出，经历了从试点到奠定工程硕士人才培养模式的阶段。自从奠定了人才培养模式后，工程硕士教育从9个培养单位、10个工程领域、年招生1千多人，发展到2004年的180个培养单位、38个工程领域、年招生3万多人、在校生10万余人。从发展的势头看，工程硕士教育充满着活力。为使工程硕士专业学位规范管理、稳步发展，经中华人民共和国国务院学位委员会考核验收，已下发(1997)57号文批准全国70多所高校具有工程硕士学位授予权，如清华大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、中南大学、北京航空航天大学、华南理工大学等。总的来说，大多数高校都形成了自己的办学特色[7，8]，以培养高级应用型工程技术人员为目标，经过多年发展经验[9]，目前工程硕士培养模式。相比国外，现在国内开设工程硕士培养点的高校数量在大幅度增加，但在实际培养过程中很多高校对工程硕士资格认证标准重视不够[10，11]。就目前高分子材料工程工程领域来说，工程硕士研究生专业人才培养模式的主要缺点是：没有将工程硕士的课题研究方向和企业需要解决的问题有机的结合起来，存在脱轨的问题，在定课题方向时，把企业摆在可有可无的位置上，研究生研究的课题与生源单位生产技术不搭。学生在企业工作很忙，无法保证上理论课时间等问题。针对出现的这些问题，我们高分子材料加工硕士点拟逐步摸索出一种新型的双导师制、灵活培养模式。让学生充分利用学校与企业资源平台，培养出符合社会需求的创新性人才。本课题以高分子材料加工领域工程硕士人才培养模式为样本进行研究，课题完成鉴定后推广到我校 其它 研究生专业。

2主要研究内容

本课题拟通过课程体系改革、授课方式改革、学位论文形式改革、课题来源研究内容改革等进行研究，培养出在高分子材料工程领域创新实践能力强的应用型高级专门人才。其主要研究内容。

课程设置体系研究

由于工程硕士自身特点即能够来上课的时间很少，生产实际经验丰富。本项目改革是想在时间少的情况下，使学员学到更多的东西，并发挥各自的长处。在课程设置体系设置上改革以往只注重在理论教学，必修课多的特点(至少17学分)。根据学生所在生产岗位需要多增加一些选修课(原来是11学分)。并在传授专业理论知识过程中，加强对学生创新思维的培养。

授课形式及方式研究

目前的工程硕士大多都在生产岗位作领导工作，工作很忙，集中上课存在的难度很大，本项目拟采取的办法：远程网络上课(视频和师生互动交流上课)，即课件点播、在线答疑、在线辅导、同步和异步讨论、在线测试、专家讲座等方式。即用时下流行的BBS进行提问和沟通。

学位论文形式改革

由于目前工程硕士学位论文形式比较单一，通常采用撰写“大论文”方式。依据此问题本次改革拟采取的办法为：学位论文形式：产品研发、工程设计、应用研究、工程/项目管理、 调研报告 。

课题来源研究内容改革研究

现在学生的课题大多源于校内导师课题，这与研究生所从事的专业严重脱节，针对这一问题本项目拟采取的办法：校企联合培养，针对企业具体问题，进行研究。校企联合培养模式是一种以培养学生的全面素质、综合能力与就业竞争能力为重点，利用学校与企业两种不同的教育环境和教育资源，采取课堂教学与学生参加实践有机结合的方式，培养适合不同用人单位需要的、具有全面素质与创新能力人才的教育模式。而校企联合培养模式与传统高校培养模式的根本区别在于，校企联合办学的人才培养目标是以应用能力培养为主线，依托行业发展，构建适应新材料发展的以生产技术为导向的“零距离”实践教学体系、与生产“零距离”接轨的教材体系、基于解决生产实际问题需求的“零距离”素质拓展培养体系，能实现学校、企业、学生三方共赢。由此，我们将努力尝教授走进企业，老板走进校园，企业员工(学生)走进实验室的目的。

导师管理改革

学位论文是综合衡量工程硕士培养质量的重要标志，应在导师的指导下，由攻读工程硕士学位者本人独立完成。学位论文由学校具有工程实践经验的硕士导师与工程单位选派的责任心强的具有高级技术职称的技术人员联合指导。

3创新实验能力培养模式

工程硕士学位研究生教育的科学发展取决于其适应社会需求的程度，而如何深化高校与企业之间的互动关系则是目前症结之所在。材料学院就这一问题采取了如下 措施 ：

(1)聚焦企业需求，创新工程硕士教育的办学理念随着工程硕士培养规模的不断扩大，我们不断更新工程硕士教育的办学理念，将以服务企业为宗旨贯穿于工程硕士培养之中，为企业培养“留得住，用得上”的高层次应用型人才。对于校企合作培养的研究生，可以自带科研课题。即工程硕士可以带自己单位的科研课题，课题的完成可以利用学校和企业的现有实验条件完成。学校具有良好的实验教学基础条件和高水平教师，实验室开放运行，资源共享。

(2)量身定做相比于一般的研究生，工程硕士生的知识背景更具多样性，在培养过程中应力争实现“量身定做、量体裁衣”，针对不同的行业和学生，学生可以选择自己从事工作领域的课题。从而更好地满足企业需要，满足各领域工程建设和发展需要。如我们2011级有名学生来自于威海碳纤维厂，他做的课题是“PAN。

材料工程毕业论文相关 文章 ：

1. 材料工程学论文

2. 工程硕士毕业论文范文

3. 化工专业毕业论文范文

4. 建筑工程毕业论文范文

5. 优秀毕业论文范文

目前主要是由聚丙烯腈和沥青纺丝，再经预氧化、碳化（也可接着石墨化）、表面处理和上浆等工艺流程制备。国内外差距很大，国内低端产品差距较小，但高端的（既高性能的）根本不行，因为难度太大。

碳纤维论文的参考文献

浅谈碳纤维在混凝土结构加固中的应用

导语：由于碳纤维布是利用环氧树脂制成的，有着极高的强度，容易和混凝土结构紧密的结合在一起。我来浅析碳纤维在混凝土结构加固中的应用，希望对你们有帮助。

由于碳纤维材料有着良好的强度和稳定性，因此在混凝土结构加固工程中得到了人们的广泛应用。本文通过对碳纤维加固的原理和施工技术进行分析，讨论了碳纤维材料在混凝土结构加固工程中的实际应用，以供相关人士参考。

【关键词】碳纤维布;原理;施工技术

1、引言

目前钢筋混凝土也将成为主要的建筑材料，被人们广泛的应用到建筑工程施工当中。但是，在实际应用的过程中，钢筋混凝土容易受到周围环境的影响，而出现许多质量问题，这不仅对钢筋混凝土的耐久性造成了严重的影响，还缩短了建筑工程的使用寿命，为此混凝土结构的加固工作在建筑工程施工中有着十分重要的意义。如今随着科学技术的不断发展，人们为了提高钢筋混凝土的强度和抗拉能力，就将碳纤维布应用到混凝土结构加固工程当中，从而有效的增强混凝土结构的工作性能。

2、碳纤维布加固原理

(1)碳纤维布的特点。碳纤维布在实际应用的过程中，它的特点主要体现在以下几个方面：第一，有着超强的.抗拉强度和弹性模量，不容易受到外界环境因素的影响;第二，在对混凝土结构进行加固时，不需要任何模具的作用，就可以对混凝土结构的裂缝进行很好的处理，而且对混凝土结构的尺寸也不会造成太大的影响;第三，有着良好的耐腐蚀性和耐久性，从而大幅度的提高了建筑结构的使用寿命;第四，由于自身结构的重量较轻，对钢筋混凝土结构的自重没有太大的影响。(2)适用范围。碳纤维布在实际应用的过程中，适应范围比较广，可以适用于任何结构形式的混凝土加固补强工程。(3)加固机理。由于碳纤维布是利用环氧树脂制成的，有着极高的强度，因此我们就可以利用碳纤维布强度高这一特想，将其粘贴在钢筋混凝土结构上，从而和混凝土结构紧密的结合在一起。

3、施工准备

将碳纤维布应用在混凝土加固工程前，为了保障工程的施工质量，施工人员必须要做好相应的施工准备工作。

(1)对工程设计施工图纸的相关内容进行认真的阅读，从而对其施工项目的内容进行全面的掌握。(2)在施工前，施工人员要对工程施工现场的实际情况以及混凝土加固结构的状况进行了解，拟定出切实可行的施工方案。(3)在对碳纤维材料以及相关的施工器具进行选择时，一定要对其质量进行严格的要求，使其工程施工的质量符合工程设计的标准。

4、混凝土基底处理

在混凝土结构加固施工的过程中，对混凝土基地处理主要是从以下几个方面表现出来的：

(1)裂缝处理。在对混凝土基底裂缝进行处理的时候，施工人员要对混凝土裂缝开裂的实际情况分析，从而对混凝土裂缝处理的方法进行选取。在一般情况下，如果其混凝土裂缝的宽度小于，那么技术人员一般都是采用碳纤维材料表面涂抹封闭的方法来进行处理。(2)对混凝土结构表面残缺的部位进行适当的情况，保障混凝土结构的平整性。(3)来对对外露钢筋的腐蚀程度进行检查，从而采用相应的施工技术对其进行处理。(4)而在对混凝土结构中存在的残缺部分进行处理时，施工人员可以采用环氧砂浆修补施工的方法，将其混凝土表面进行复原，使其混凝土表面结构的平整性达到工程施工的要求。

5、涂底层涂料

(1)把底层涂料的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放入容器内，并用搅拌器搅拌约8∽10分钟左右至A、B组份混合均匀为止。搅拌时最好沿同一方向搅拌，尽量避免混入空气形成气泡。每次配置量以小于3公斤为宜，现配现用。(2)用专用滚筒刷均匀地将底层涂料涂刷于混凝土表面，厚度不超过，并不得漏刷或有流淌、气泡，指触干燥后，才能进行下一道工序的施工。(3)底层涂料指触干燥或固化后，表面上的凸起部分(一般类似结露的露珠一样)要用砂布或角磨机磨平。

6、用环氧腻子进行残缺修补

(1)构件表面凹陷部位应用环氧腻子填平，并修复至表面平整、顺滑。(2)内角(段差、起拱等)要用环氧腻子填补，使之平顺。腻子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙纹，应再用砂纸打磨平整。

7、粘贴碳纤维布

(1)按设计要求的尺寸用锋利刀具裁剪碳纤维布，应整齐划一，避免毛刺、缺角。宜在平整木板(如三合板)、纸板上裁剪。(2)树脂的主剂和固化剂应按规定的比例称量准确，装入容器用搅拌器均匀搅拌。一次调和量应在可使用时间内用完。(3)纤维顺长方向片材的接头必须搭接10cm以上。该部位应多涂树脂，脱泡、树脂操作按正常进行。在片材宽度方向不需要搭接。(4)贴布前用专用滚筒刷均匀地涂抹粘贴用环氧树脂，使其均匀涂抹于混凝土粘贴部位和碳纤维布上，拐角部位适当多涂抹一些。按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布，拉紧对齐后粘贴，用刮板、滚筒沿同一方向反复滚压，去除气泡，直至胶料渗出，充分浸润胶料碳纤维布。(5)纤维布施工30分钟后，用滚筒刷均匀涂抹粘贴用环氧树脂。如需多层粘贴则重复1～5步骤，并保证底层粘贴的碳纤维片上涂已指触干燥，才能粘贴下一层。(6)最后一层碳纤维的上涂应涂刷均匀、周边整齐。

8、养护

(1)碳纤维布施工后，应进行养护，保证养护期间的温度不低于环氧树脂的允许使用温度。(2)养护期一般在1～2周内。(3)对于有风吹、雨淋或有可能人为扰动的地方应进行遮挡封闭养护。

9、表面涂装

对于有外观装饰要求的结构或构件，可在粘贴后的碳纤维表面喷沙抹灰后涂刷常规涂料。

10、施工主意事项

(1)气温在5℃以下、相对湿度RH>85%、混凝土表面含水率在8%以上、有结露的可能时，无有效措施不得施工，施工时应保证气温在5℃～35℃之间，相对湿度不大于85%的环境下施工。(2)由于碳纤维片为电的良导体，应使其远离电源。(3)施工用各种树脂远离明火，并避免阳光直射。

11、检验与验收

(1)在开始施工之前，应确认碳纤维布及配套树脂类粘结材料的产品合格证，产品质量出厂检验报告，进口材料要有商检证，各项性能指标应符合有关规定的要求。(2)采用碳纤维布及配套树脂类粘结材料对混凝土结构进行加固修复时，应严格按有关规定进行各工序隐蔽工程检验与验收。如施工质量不能满足有关规定的要求时，应立即采取补救措施或返工。(3)碳纤维布实际粘贴面积应不少于设计量，位置偏差应不大于l0mm。(4)碳纤维布与混凝土之间的粘结质量可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维布表面的方法来检查，总有效粘结面积不应低于95%.当碳纤维布的空鼓面积小于10，000mm2时，可采用针管注胶的方式进行补救.空鼓面积大于10，000mm2时，宜将空鼓处的碳纤维片材切除，重新搭接贴上等量的碳纤维布，搭接长度应不小于l00m。

12、结束语

目前，由于碳纤维材料有着极强的适应性，而且强度较高、施工简便，因此已经被人们刚发的应用在钢筋混凝土构件的加固工程当中，这不仅有效的增强了混凝土结构的各方面性能，还对提高了混凝土结构的强度，使其工程施工的质量满足工程施工的要求。

参考文献

[1]张鹏飞.碳纤维加固技术的应用[J].科技信息(学术版)，2006(03)

[2]朴洪立.碳纤维结构加固技术的原理及在建筑结构中的应用[J].黑龙江科技信息，2007(06)

碳纤维结构的研究--《电子显微学报》1990年03期【作者单位】：北京工学院【DOI】：cnki:ISSN:

搜一下：谁推荐点碳纤维方面的参考文献