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《清华大学在纤维增强复合材料拉挤型材结构标准化工作上取得重要进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2020-06-03

  • 清华大学土木系在纤维增强复合材料拉挤型材结构标准方面取得一系列重要进展。土木系冯鹏教授主编的中国工程建设标准化协会标准《复合材料拉挤型材结构技术规程》T/CECS 692－2020正式发布，该标准是我国首部针对纤维增强复合材料拉挤型材结构设计、施工和验收的技术标准；土木系参编的国家标准《纤维增强复合材料工程应用技术标准》GB50608-2020也正式发布，冯鹏、陆新征教授、叶列平教授参与起草，该标准是原国家标准《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》GB50608-2010的新版本；另外，冯鹏主编的国家标准《结构用纤维增强复合材料拉挤型材》GB/31539-2015英文翻译版正式出版，该标准是我国纤维增强复合材料领域首部英文翻译版国家标准；同时，冯鹏提出ISO国际标准项目——纤维增强复合材料拉挤型材全截面压缩试验（Full section compressive test for pultruded FRP Profiles，ISO/AWI 23930）获批立项，并担任负责人（Project Leader）组织编写，该标准是复合材料技术领域里第一个由我国提案并主导制订的国际标准项目。

    纤维增强复合材料拉挤型材产品及其应用

    这一系列标准工作的进展，推动我国纤维增强复合材料拉挤型材结构技术逐渐走向成熟。纤维增强复合材料拉挤型材是一种将浸润树脂的纤维牵引通过模具加热固化后的纤维增强复合材料制品。纤维增强复合材料拉挤型材具备轻质高强、耐腐蚀性、功能性等优点，广泛应用于工程结构，可实现施工安装便捷、施工周期短、后期免维护的目标，并有效降低全寿命成本，是一种应用前景广阔的新型建筑材料。从2010年开始，土木系冯鹏教授带领团队开展了系列化研究，在一些典型工程应用中获得了突破，例如桁架桥、冷却塔、飘窗板等。在多项工程应用的基础上，总结工程经验，编制了纤维增强复合材料拉挤型材从产品到工程应用的一系列标准，形成了我国纤维增强复合材料拉挤型材的标准体系。标准体系的建立解决了纤维增强复合材料拉挤型材工程缺乏依据的问题，并且通过标准体系的建立推动了纤维增强复合材料拉挤型材结构应用技术走向成熟。

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    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-07-16
    • 清华大学航天航空学院李晓雁课题组、与中国科学院金属所、美国布朗大学以及大连理工大学合作，在《纳米快报》（Nano Letters）发表了题为《克服强度-可恢复性制约的三维高熵合金—聚合物复合纳米点阵超材料》（Three-Dimensional High-Entropy Alloy–Polymer Composite Nanolattices That Overcome the Strength–Recoverability Trade-off）的研究论文。该论文设计并制备了一种由高熵合金和聚合物组成的复合纳米点阵超材料。该点阵材料兼具高强度和良好的可恢复性，克服了早先所有微纳米点阵材料的强度与可恢复性之间相互制约的问题。 　　三维微纳米点阵材料具有优异的力学性能，如低密度、高刚度等。但是，现有的微纳米点阵材料的强度与可恢复性之间存在着相互约束，即高强度的点阵材料通常表现为脆性，而可恢复性能好的点阵材料的强度较低。这一强度与可恢复性的制约在很大程度上限制了微纳米点阵材料在能量存储和机械致动等领域的应用潜力。　　 复合纳米点阵材料克服了传统微纳米点阵材料的强度与可恢复性之间的相互制约 　　李晓雁课题组提出了一种基于复合材料的设计方案，解决上述难题。该设计方案首先采用了先进的纳米尺度增材制造技术（三维双光子光刻激光直写）直接打印高弹性聚合物材料组成的纳米点阵结构（最小特征尺寸约为260nm），然后通过磁控溅射手段将具有高强度的高熵合金材料均匀镀层在聚合物骨架的表面（厚度仅为14.2-126.1nm），从而实现了“1+1>2”的优异力学性能。该纳米点阵不仅保有聚合物材料的高弹性和良好的可恢复性，而且由于高熵合金纳米镀膜的存在，使得该纳米点阵兼具高强度的优点，从而使得该复合纳米点阵材料克服了早先微纳米点阵材料具有的强度与可恢复性之间相互制约的问题。　　 （a-h）复合纳米点阵材料的原位电镜压缩实验； （i,j）复合纳米点阵材料的比强度、单位体积能量吸收与其他微纳米多孔材料的比较 　　在论文中，研究团队首先展示了该复合纳米点阵材料的制备和微结构及其力学性能表征。通过原位扫描电镜压缩实验证实了复合纳米点阵材料同时具有高的强度和良好的可恢复性。该纳米点阵结构的比强度高达0.027MPa/kg·m3，最大压缩应变超过50%仍然可以实现几乎完全恢复，且单位体积能量吸收高达4.0MJ/m3，这一数值比自然界具有相同密度的多孔材料高1-3个数量级。研究结果同时表明，随着高熵合金镀层厚度的增加，压缩过程中主要变形机制发生从局部屈曲到脆性断裂的转变。当厚度介于14.2-50.0nm之间时，复合纳米点阵材料的比模量和比强度达到极大。 　　近年来，李晓雁副教授研究团队主要从事新型微纳米结构材料力学行为和力学性能的研究，在相关领域取得了多项重要的成果。相关工作发表在《自然材料》（Nature Materials）、《自然通讯》（Nature Communications）、《科学进展》（Science Advances）、《先进材料》（Advanced Materials）等期刊上。 　　清华大学航院李晓雁副教授、中国科学院金属所姚佳昊副研究员、李毅研究员和美国布朗大学高华健教授为本文的共同通讯作者。清华大学航院2013级博士生张璇为本文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金项目、中组部青年相关人才计划项目的资金支持。 　　论文链接： https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b01241
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    • 发布时间：2024-11-27
    • 南加州大学的研究人员开发了一种新工艺，可升级回收汽车面板和轻轨车辆中出现的复合材料，解决当前交通和能源领域的环境挑战。该研究最近发表在《美国化学会杂志》上。 南加州大学多恩西夫文学、艺术与科学学院的化学教授特拉维斯·威廉姆斯（Travis Williams）说，“我不确定是否有可能完全回收复合材料”。“虽然这些材料在制造节能汽车方面非常出色，但复合材料的问题在于我们没有切实可行的回收途径，因此这些材料最终都被填埋了”。 该研究中展示的化学反应是Williams与南加州大学维特比工程学院MCGill 复合材料中心的Steven Nutt教授、南加州大学Alfred E. Mann药学和制药科学学院的Clay CC Wang教授以及美国加州大学伯克利分校的Berl Oakley合作进行的。堪萨斯大学的一种新方法表明，复合材料可以以保持材料完整性的方式回收和再循环。 日常材料 碳纤维是由碳原子构成的细纤维；它们非常轻，但具有非常高的拉伸强度和刚度，非常适合制造。聚合物基体是一种类似塑料的刚性材料（例如环氧树脂、聚酯或乙烯基树脂），充当粘合剂；聚合物将碳纤维固定在一起并赋予复合材料形状。 CFRP，即碳纤维增强聚合物，是一种结合了碳纤维和聚合物成分的复合材料。威廉姆斯说：“这项研究展示了第一个成功的方法，可以从碳纤维和CFRP 材料的聚合物基体中回收高价值。” Williams说，“如果你环顾世界，你会发现碳纤维复合材料无处不在”“它们在我的自行车、我的汽车和我邻居的假肢里。”复合材料是大规模制造中最常用的材料之一。汽车和飞机的结构板以及许多其他部件越来越多地使用碳纤维增强塑料制造。 “碳纤维增强塑料面临的挑战是你无法熔化它们或重新粘合它们，这使得它们在使用寿命结束时难以分离和回收，”Williams说。事实上，适用于约1%复合材料废物的唯一可用回收方法是烧掉聚合物基体。 南加州大学维特比分校的化学工程教授Nutt对这一策略表示反对，他说：“基质是一种我们不想牺牲的工程材料。” 可持续方法 预测表明，到2030年，6,000-8,000架含有复合材料的商用飞机将达到使用寿命，到2050年，退役的风力涡轮机将产生 483,000 吨复合材料废物。威廉姆斯表示，他的实验室的升级回收方法为日益严重的废物问题提供了可持续的解决方案：“我们的方法有潜力在回收和化学制造领域创造新的价值链，同时显着减少复合材料对环境的影响。” 升级回收方法节省了CFRP的碳纤维，这是该材料坚固耐用的部分。这些纤维保持良好状态，团队展示了如何在新制造中重复使用它们，保持超过97%的原始强度。该方法是第一个成功地从碳纤维复合材料的基体和碳纤维部分中获得价值的方法，将废物转化为有用的产品并减少环境危害。 真菌溶液 生物技术对于从废弃的聚合物基质中回收价值至关重要。研究人员还引入了一种特殊类型的真菌，称为构巢曲霉，它首先是在堪萨斯大学贝尔奥克利实验室设计的。南加州大学研究小组发现，在纤维回收反应将聚合物切碎成苯甲酸后，这种真菌可以从复合基质中重建材料，然后将苯甲酸用作真菌的食物来源，以生产一种称为OTA的化学物质（（2Z,4Z,6E）-八-2,4,6-三烯酸）使用这种真菌的工程菌株。 “OTA可用于制造具有潜在医疗应用的产品，例如抗生素或抗炎药，”南加州大学曼恩教授兼药理学和药物科学系主任、联合研究员王说。“这一发现很重要，因为它展示了一种新的、更有效的方法，可以将以前被认为是废弃的材料变成可用于医学的有价值的东西。” 这种升级回收方法不仅展示了利用真菌对废料进行生物催化升级的潜力，而且还突出了一种通过将纤维和基体成分回收为高价值产品来回收复合材料的新方法。 Williams说：“随着对碳纤维增强塑料的需求持续增长，这一突破出现在关键时刻。”“预计未来几十年CFRP废物将显着增加，这一概念为可持续材料管理提供了一个有前景的解决方案。”
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