关于树脂基复合材料在野战工事中的应用

关于树脂基复合材料在野战工事中的应用野战工事是战役、战斗的准备和实施过程中，利用、改造地形，使用就便器材或预制构件，快速构筑的临时工事。对常规武器和核武器、生物武器和化学武器的杀伤破坏作用具有较高的抵抗能力和较好的防护效果。50年代以前，我军的野战工事主要是以木材、钢材和钢筋混凝土就便材料工事，作战时临时构筑。60年代以后，先后研制了装配式混凝土预制构件工事、型钢工事、波纹钢工事、钢丝网水泥工事、骨架柔性被覆工事等制式器材。这一时期的工事，重量大、构件体积大、构筑速度慢、土建作业量大、撤收难，阵地转移慢，机动性能不高，难以适应机动作战的需要。从80年代开始，随着复合材料的发展，制作野战工事的材料由传统的钢材、木材和钢筋混凝土材料转向新型复合材料，我军先后研制了玻璃钢工事、玻璃纤维增强水泥工事、玻璃钢或铝合金作面板和泡沫作芯材的复合材料工事。这一时期的工事，虽然重量较轻，构件体积较小，但是工事的跨度较小、抗力低，难以满足部队平战结合的需要。直到90年代,采用 新材料、新工艺、新思想 设计的玻璃钢夹层野战工事系列，才第一次使野战工事轻型化、机动化、标准化,形成单一材料、多种结构型式、多种抗力和多种使用性能的系列化。国外是从60年代初期开始使用复合材料野战工事的。美国、法国、意大利、日本、德国、瑞典等国都有用玻璃钢制成的掩蔽部、防弹板、弹药库等,对于玻璃钢工事的试验研究,外军早在二次世界大战时就开始了相关研究,并已有各种玻璃钢工事装备部队,如美军的轻型玻璃钢装配式掩盖工事(长6-18米,宽3米,高约3米);英国研制的玻璃钢掩蔽部可容纳6人,复土 115米,抗冲击波超压0186kg/cm2。此外还有日本研制的薄壳形玻璃钢工事顶盖、瑞典的玻璃钢夹层球形掩蔽部等等,均起到了较好的防护效果。 一、玻璃钢复合材料用于野战工事的优点玻璃钢(FRP)亦称作GRP，即纤维强化塑料，是一种树脂基复合材料。一般指用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂基体。玻璃钢是目前世界上产量最大、用途最广的复合材料，玻璃钢工业是如今最热门的工业之一，它以其优良的性能在各个领域得到广泛的应用，如:储罐、管道、建筑、交通运输、运动与游乐器材、船艇等方面都得到广泛应用。在野战筑城中，用玻璃钢做的各种工事在战争中起到了重要作用，在未来高技术战争中将发挥越来越大的作用。FRP(玻璃纤维增强塑料,简称玻璃钢)是以合成树脂为基体、玻璃纤维(织物)为增强材料的复合材料。具有许多优良的特性: (一)轻质高强，比重114-2.0,约为钢的1/5,铝的1/2,其比强度和比模量超过钢和铝合金; (二)冲击韧性好，适宜于承受动荷载及爆炸冲击荷载; (三)抗老化及阻燃性好(玻璃钢中加入阻燃剂或采用阻燃树脂再加入阻燃剂，可满足防火要求); (四)其夹层结构隔热保温性能好，导热系数和热应力小(分别为钢管的0.14%和1/11); (五)电绝缘性能好，可安全地应用于输电、电信密集区;(六)设计和可施工性好，安装快捷方便、安全，几乎不动火。因此，FRP极适宜于制作野战工程中的快速装配式预制构件，在防护工程野战工事的应用上越来越受到重视。目前所用的玻璃纤维，其应力应变曲线如图所示，从图中可以看出，单纤维受力不一致，股纱破坏呈现一个逐步断裂的过程。最常用的玻璃纤维布有平纹、斜纹和缎纹等，其中斜纹中的2/2斜纹布铺覆性较好，较适用于制作玻璃钢工事构件。合成树脂在玻璃钢中的作用，是将分散的玻璃纤维或其织物粘结成一个整体，同时已固化的树脂又是玻璃钢的一组分，其性能将直接影响玻璃钢的力学、耐温、耐腐蚀和介电等性能，此树脂的选择也非常重要。用于玻璃钢的常用树脂大部分为热固性树脂，主要有不饱和聚酯、环氧、酚醛以及改性的聚酯和环氧。玻璃钢工事结构设计时，既要满足构件标准化的要求，又要满足荷载要求，同时尽量使生存空间有舒适感。其结构形式基本上有两类： 筒壳和球壳。对于单一玻璃钢材料，壁厚度通常取6-10mm，对于夹层材料，一般取蒙皮厚2-4mm，夹芯厚40-60mm。 (一)手糊成型技术手糊成型又称手工裱糊成型或接触成型，是热固性树脂基复合材料制品成型较早的方法之一。所谓手糊工艺，是指用树脂将增强材料粘结在一起的一种成型方法，约有50%的玻璃钢复合材料制品是用这种方法成型的，特别是对于用量少、品种多及大型制品，更宜采用此法。但这种方法操作人员多，操作者的技术水平对制品的质量影响大，虽有 一见就会 的说法，但要制得优良得制品也是相当困难得。手糊成型工艺制造制品一般需要经过如下工序： 手糊成型工艺可分为接触成型和低压成型两大类： 属于前者得有简单手糊法及喷射成型法;属于后者的有压力袋法、真空袋法等。手糊复合材料制品的厚度一般在2-10mm，但对于有些制品，其厚度可以大于10mm，也可小于2mm。典型的手糊制品结构如图。 1、面层; 2、短切毡; 3、短切毡或粗纱布; 4、短切毡; 5、表面毡; 6、胶衣层; 7、脱模剂; 8、模具。因其很少受到制品形状及大小的制约，模具费用较低。因此对于品种多、生产量小的大型制品，手糊成型技术是最合适的。用手糊成型可生产波形瓦、活动房、浴盆、冷却塔、卫生间、贮槽、贮罐、风机叶片、各类渔船和游艇、微型汽车和客车壳体、大型雷达天线罩及天文台屋顶罩、设备防护罩、雕像、舞台道具和飞机蒙布、机翼、火箭外壳、防热底板等大中型零件。总之，由于手糊工艺设计自由，可根据产品的技术要求设计出理想的外观、造型及多种多样、品种繁多的FRP制品。目前，产品达上万种，被广泛应用到各个领域，前景看好。 (二)模压成型技术适合于生产量大，尺寸要求精确的制品。模压成型的模具由阴、阳两部分组成。增强材料一般为短切纤维毡、连续纤维毡和织物。 (三)RTM成型技术RTM(树脂传递模塑)成型技术是一种适宜多品种、中批量、高质量复合材料制品生产的成型技术，RTM成型技术有许多优点： 能够制造高质量、高精度、低孔隙率高纤维含量的复杂复合材料构件，无须胶衣树脂也可获得光滑的双表面，产品从设计到投产时间短，生产效率高;RTM模具和产品设计可采用CAD进行设计，模具制造容易，材料选择面广;RTM成型的构件与管件易于实现局部增强以及制造局部加厚的构件，带芯材的复合材料能一次成型;RTM成型过程中挥发水分少，有利于劳动保护和环境保护。 (四)纤维缠绕成型技术纤维缠绕成型是在专门的缠绕机上，将浸润树脂的纤维均匀地、有规律地缠绕在一个转动的芯模上，最后固化、除去芯模获得制品。纤维缠绕成型方法既用于制造简单曲旋转体： 如筒、罐、管、球、锥等。也可以用来制备飞机机身、机翼及汽车车身等非旋转体部件： 在纤维缠绕成型中常使用的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维;缠绕用树脂基体有聚酯、乙烯基、环氧和BMI树脂等。纤维缠绕的主要优点是节省原材料、低的制造成本以及制件的高度重复性，最大的缺点是制件固化后需除芯模以及不适宜于带凹曲表面制件的制造。 (五)拉挤成型技术用于连续生产纤维复合材料型材。主要过程是依靠牵引将原材料通过一定型面的加热模，完成复合、成型和固化。拉挤成型工艺筒单;效率高;拉挤法制备制件时，增强纤维沿轴向平行排列，能有效地利用其强度。采用纤维毡增强材料可制备各向同性制件，采用编织带可提高制件的横向强度。拉挤成型的关键是固化的控制。固化反应放热峰出现太早制件易开裂、翘曲;出现太迟;制件固化不完全，易分层。取决于型材形状和加热方式，拉挤速度在 1.5-60m/h之间。(六)热压罐成型技术热压罐成型技术是生产高质量复合材料制件的主要方法。其基本过程是先将预浸料按尺寸裁剪、铺贴，然后将预浸料量叠层和其他工艺辅助材料组合在一起;置于热压罐中在一定压力和温度下固化形成制件。热压罐成型技术的最大优点是仅用一个模具就得到形状复杂、尺寸较大、质量较好的制件。 三、手糊成型工艺在野战工事中的应用根据树脂基复合材料的工艺设计的原则以及以上提到的六种工艺对比，由于复合材料装配式野战工事结构复杂，尺寸较大，加之考虑加工成本，故在制造过程中采用手糊成型工艺。与其它成型工艺相比，手糊成型工艺具有如下的优点： (一)操作简便，操作者容易培训; (二)设备投资少，生产费用低： (三)能生产大型的和复杂结构制品; (四)制品的可设计性好，且容易改变设计; (五)模具材料来源广;(六)可以做成夹层结构。由于现代高技术战争条件下，需要快速构筑野战工事以提高部队的生存能力的需要，高性能树脂基复合材料以其自身所特有的能有效吸收冲击能量、轻质高强且具有不燃、无毒、保温等性能，必将成为野战工事构筑的首选材料。 一、原燃烧器设计情况浑江发电公司两台670T/h锅炉(5号炉、6号炉)均为哈尔滨锅炉厂生产的中间仓储式热风送粉煤粉锅炉。5号炉原设计为四角切圆布置16只直流式煤粉燃烧器;6号炉原设计为四角切圆布置上两层为直流式煤粉燃烧器，下两层为双通道煤粉燃烧器。 5、6号炉各角四层燃烧器中间设计了蒸汽雾化重油点火油枪(每台炉4只重油点火油枪)。锅炉设计煤种为浑江地区混煤。煤质设计值为： 灰份： 40.67%，挥发份： 22.14%，低位发热量： 16492kj/kg(3945大卡/kg)。从设计值可以看出，浑江发电公司燃用的煤质较劣，而实际运行中，燃用的煤种变化很大，煤质更差，远远低于设计值。特别是2017年四季度以来，由于煤炭市场紧缺，燃用的煤质偏离设计值甚远，实际燃用煤质经常在下列范围： 灰份52%以上，挥发份14%以下，低位发热量13000kj/kg以下。由此带来的后果是，锅炉燃烧稳定性差，耗油量增加，灭火事件多发。 二、燃烧器改造情况为了稳定燃烧，降低耗油量，减少锅炉灭火事件，浑江发电公司对 5、6号炉燃烧器进行了多次改造。5号炉原设计为四角切圆布置16只直流式煤粉燃烧器。2017年10月，将原设计的16只直流式煤粉燃烧器均改造为左右型浓淡煤粉燃烧器。6号炉原设计为四角切圆布置上两层为直流式煤粉燃烧器，下两层为双通道煤粉燃烧器。2017年7月将原有的燃烧器改造成上三层为左右型浓淡煤粉烧器，下一层为直流式煤粉燃烧器。改造成左右型浓淡煤粉燃烧器后，结果很不理想， 一是对煤种适应性较差，燃烧惰性大，当灰份高于50%，挥发份低于13%时，燃烧稳定性较差，经常需要投油稳燃; 二是过热器及再热器管壁超温严重。为改变上述燃烧器不良特性，2017年起，浑江发电公司陆续将 5、6号炉所有燃烧器均改造为双通道双浓淡多突扩式煤粉燃烧器(简称双通道燃烧器)。双通道燃烧器改造后，对煤质的适应性较强，燃烧稳定性明显好转，但在节约燃油方面还不够理想，特别是启、停炉及低负荷运行稳燃耗油量还比较大。主要原因是重油点火油枪在冷态启炉初期，点火非常困难，燃烧很不完善，大量重油颗粒在没有着火或完全燃烧的情况下就被冷风带走;还有一部分重油附着在水冷壁上，在冷却过程中沿水冷壁流淌到冷灰斗而凝固结块，致使大量重油被浪费掉。为解决这一问题，进一步适应煤质需要，最大限度节省燃油，2017年下半年，浑江发电公司陆续将 5、6号炉下层4只双通道煤粉燃烧器改造为哈尔滨国能微油点火设备有限公司设计制造的柴油微油点火煤粉燃烧器。微油点火煤粉燃烧器改造同时，将各角四层燃烧器中间的4只蒸汽雾化重油点火油枪改造为4只机械雾化柴油点火油枪。微油点火煤粉燃烧器既可作为点火燃烧器，也可作为主燃烧器使用。由于采用了微油点火技术、煤粉浓缩技术和逐级放大技术，这种燃烧器除具备微油点火节油性能外，煤粉燃烧器本身还具有良好的稳燃节油性能，所以煤粉燃烧器又称为稳燃燃烧器或节油燃烧器。该项技术系统简单，操作方便，对煤种适应性强，运行稳定，安全可靠。 三、微油点火煤粉燃烧器系统构造及作用 1.微油点火煤粉燃烧器系统组成微油点火煤粉燃烧器系统由微油量气化小油枪点火系统、煤粉燃烧系统、控制保护系统三大部分组成。微油量气化小油枪点火系统由高能点火器、点火油枪、辅助油枪、燃油系统、压缩空气系统等组成。煤粉燃烧系统由煤粉浓缩器、煤粉燃烧器、周界风冷却系统等组成。控制保护系统由DCS系统和就地控制箱、火检保护系统、燃烧器壁温监测系统、火焰电视监测系统等组成，对点火系统和送粉系统进行控制，实现程控点火与油枪灭火联锁保护，保证锅炉安全稳定可靠运行。2.微油点火煤粉燃烧器构造及作用微油点火煤粉燃烧器由高能点火器、点火油枪、辅助油枪、煤粉浓缩器、一次燃烧室、二次燃烧室、周界二次风、压缩空气、高压风(压力冷风)等部分组成。高能点火器用于点火油枪点火，点火油枪用于点燃煤粉，辅助油枪用于强化点火燃烧效果，加快煤粉的点火速度，增加煤粉的燃烧强度。煤粉浓缩器采用双层煤粉浓缩环结构，以提高煤粉浓缩效果。煤粉浓缩率达63.4%。一次燃烧室作用： 一次风粉混合物经浓淡分离后，浓相煤粉进入一次燃烧室与微油量气化小油枪气化燃烧生成的高温火焰混合，在微油量气化小油枪高温火焰作用下析出挥发份并着火燃烧。二次燃烧室作用： 稀相煤粉进入二次燃烧室与浓相着火燃烧的煤粉混合并被点燃。被点燃的煤粉火焰在燃烧过程中喷入炉膛，火焰长度可达5米以上，可直接点燃与其相邻的主燃烧器。周界二次风作用： 冷却二次燃烧室外壁，防止燃烧器烧损和结焦，补充煤粉燃烧所需氧量。压缩空气作用： 小油枪点火初期用于燃油雾化，正常燃烧时加速燃油气化并提供燃烧所需氧量。高压风(压力冷风)作用： 为小油枪着火初期提供氧量，补充正常燃烧所需氧量。四、微油点火煤粉燃烧器工作原理微油点火煤粉燃烧器采用微油点火技术、煤粉浓缩技术、逐级放大技术和气膜冷却技术等先进技术。 1.微油点火技术传统的机械雾化燃烧方式是，燃油被雾化成200250 m的油雾液滴，以增加燃油蒸发表面积，提高蒸发速度，实现油雾蒸汽燃烧。但是机械雾化不能从根本上改变燃油液态本质。采用燃油气化燃烧原理，气化后的燃油粒度为气体分子级，其化学反应速率远远大于机械雾化产生的油雾液滴。伴随着气化反应，油温也随之上升，根据燃烧学原理，温度每提高10，化学反应速度将增加24倍。微油点火技术就是根据这一原理设计的。2.煤粉浓缩技术由于炉膛结焦、煤质下降及低负荷调峰稳燃需要，近几年的电站锅炉改造中出现了各种煤粉浓缩燃烧器。为了强化燃烧效果，微油点火稳燃燃烧器创造性地引进了煤粉浓缩技术;换言之，微油点火稳燃燃烧器煤粉浓缩技术是在借鉴以往经验的基础上进行改造创新的结果。3.逐级放大技术能量逐级放大技术的前提是，引火源具有很高的燃烧强度和后续燃料的迅速引燃。微油点火及稳燃燃烧器点火系统中，气化雾化油枪保证了引火源的燃烧强度。浓相煤粉被引燃时，在一级燃烧室内就形成了 三高区 ，即： 点火温度高，煤粉浓度高，燃烧强度高。煤粉在高强度的燃烧火核引燃下迅速升温破碎并析出挥发份，进一步增强燃烧效果;浓相煤粉着火后进入二级乃至三级燃烧室与稀相煤粉混合后继续强化燃烧，达到了能量逐级放大效果。4.气膜冷却技术由于煤粉在燃烧器筒体内燃烧，燃烧器筒体内烟气温度高达1000左右，燃烧器金属壁面的工作环境比较恶劣，极易造成燃烧器结焦、烧损。为防止燃烧器结焦、烧损，在微油点火及稳燃燃烧器系统中引进了航空航天领域的气膜冷却技术，即用稀相一次风冷却一次燃烧室壁面，用送风机压力冷风作为周界二次风冷却二次燃烧室壁面。气膜冷却技术是在燃烧器壁面形成一层冷风气膜，它具有两个重要保护作用： 一是将高温燃气与壁面隔开，以避免高温燃气直接对壁面进行对流换热，这是隔热作用; 二是将高温燃气与火焰的辐射热量从壁面带走一部分，这是冷却作用。通过这两种保护方式可以有效防止燃烧器结焦和过热烧损。5.微油量气化小油枪工作原理微油量气化小油枪利用压缩空气的高速射流将燃油直接击碎，雾化成超细油滴进行点火燃烧，在极短时间内完成油滴的气化蒸发，使微油量气化小油枪直接燃烧气体燃料，从而大大提高了燃烧效率及火焰温度。气化后的燃油火焰刚性强、传播速度快，火焰呈完全透明状，根部为蓝色火焰，中间及尾部为白色透明火焰，火焰中心温度可达15002017。气化后的燃油火焰作为高温火核在煤粉燃烧器内直接点燃煤粉。这种点火方式点火迅速，稳燃性能好，从而实现了以粉代油，节省点火及低负荷稳燃用油的目的。6.微油点火煤粉燃烧器工作原理微油量气化小油枪通过燃油气化燃烧产生高温火焰，在煤粉燃烧器一次燃烧室内形成温度梯度较大的高温火核，进入一次燃烧室的浓相煤粉遇到高温火核时，煤粉颗粒温度急剧升高而破裂粉碎，挥发份迅速析出并着火燃烧。着火燃烧的浓相煤粉进入二次燃烧室时，再与稀相煤粉混合并将稀相煤粉点燃，促使煤粉分级燃烧，燃烧能量逐级放大，达到了煤粉迅速点火并强化燃烧的效果。这种点火方式可以大大减少煤粉燃烧所需的引燃能量，以满足锅炉冷态启动、滑参数停止以及低负荷稳燃需要。 五、微油燃烧技术节油原理 1.油枪布置方式节油传统的锅炉点火大油枪一般都布置在二次风喷口内，锅炉冷态启动时，首先点燃大油枪以提高炉膛烟气温度，高温烟气通过对流将热量传给一次风射流，这种高温烟气与一次风的对流换热，约为油枪燃烧产生热量的20%。而微油点火煤粉燃烧器是将油枪布置在一次风喷口内，这种油枪布置方式最多只用大油枪的20%油量来点燃煤粉，所以可节约近80%的燃油。2.分级燃烧方式节油节油燃烧器针对不同煤质设计23级煤粉燃烧室，第一级煤粉燃烧室进口风量一般为一次风管风量的20%30%，煤粉浓度约为风管内煤粉浓度的23倍。根据煤粉着火热计算公式，一次风量与风粉气流所需着火热基本成比例关系，利用分级燃烧原理，在上述基础上又可节油80%90%。微油点火节油燃烧器与常规煤粉燃烧器相比，其主要优点是： 小油量气化燃烧着火迅速，燃烧充分，火力强大，着火后的高温火焰在燃烧器筒体内以极短的时间直接点燃煤粉并迅速燃烧，然后向炉内喷出高温火焰。相邻煤粉燃烧器煤粉喷出后被高温火焰和烟气回流加热点火燃烧，而不必使用大油枪点火。所以用油量较少。综合上述两种节油方式，使用微油点火节油燃烧器，可直接节油95%以上。扣除因节油而多消耗煤粉的费用，综合节油率可达90%以上。 六、微油点火煤粉燃烧器改造效果浑江发电公司微油点火煤粉燃烧器设计煤种为： 灰份 48%，挥发份 16%，低位发热量 14000kj/kg。微油量气化小油枪出力为40120kg/h，大油枪出力为： 0.8 1.5t/h。微油点火煤粉燃烧器改造后收到了良好的节油效果，启、停炉及低负荷稳燃耗油量明显下降。 5、6号炉原重油点火系统冷态启炉每次耗(重)油50吨以上，最高达到过87吨;滑参数停炉每次耗(重)油10吨以上。而微油点火煤粉燃烧器改造后冷态启炉每次耗(柴)油可控制在15吨以内，滑参数停炉每次耗(柴)油不超过2吨。按经济价值计算 冷态启炉每次至少节约资金： 0.33万元 50(t)-0.63万元 15(t)=7.05万元滑参数停炉每次至少节约资金： 0.33万元 10(t)-0.63万元 2(t)=2.04万元启停炉一次可以节约资金9万元以上。这只是在燃用劣质煤情况下，微油点火煤粉燃烧器改造后的节油效果。如果燃用设计煤种，其节油效果会更加明显。 七、结论通过以上分析论述，可以得出如下结论： 1.综合节油率高微油点火煤粉燃烧器通过小油量点火油枪气化燃烧形成的高温火核直接点燃煤粉。这种点火方式点火迅速，稳燃性能好，实现了以粉代油、节省燃油的目的。在锅炉启、停和低负荷稳燃方面可节约大量燃油，综合节油率达90%以上。2.自动化程度高微油点火节油燃烧技术配套设计的控制系统，通过就地控制箱或PLC与DCS系统联络(单独DCS组态画面)，将重要参数传输到锅炉FSSS保护系统。通过DCS系统独立的操作画面，结合炉内火焰监视系统，运行人员可在集控室进行远程操作，整个过程也可设定全自动完成。3.系统安全可靠微油点火煤粉燃烧器系统简单，对煤种适应性强，操作方便，运行稳定。煤粉燃烧器采用多级气膜冷却技术，可以有效避免燃烧器结焦、烧损现象，运行安全可靠。自从 1991 年日本筑波 NEC 实验室的物理学家饭岛澄男(Sumio Iijima)1首次报道了碳纳米管以来，其独特的原子结构与性能引起了科学工作者的极大兴趣。按石墨层数的不同碳纳米管可以 分 为单壁碳 纳 米管(SWNTs) 和多壁碳 纳 米管(MWNTs)。碳纳米管具有极高的比表面积、力学性能(碳纳米管理论上的轴向弹性模量与抗张强度分别为 12 TPa 和 200Gpa)、卓越的热性能与电性能(碳纳米管在真空下的耐热温度可达 2800 ，导热率是金刚石的 2 倍，电子载流容量是铜导线的 1000 倍)2-7。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件，采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件，并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构，从而降低生产成本。因此，聚合物/碳纳米管复合材料被广泛地研究。根据不同的应用目的，聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年，人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复合材料，并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究，对这些研究结果分析表明： 聚合物/碳纳米管复合材料的性能取决于多种因素，如碳纳米管的类型(单壁碳纳米管或多壁碳纳米管)，形态和结构(直径、长度和手性)等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述，并对其所面临的挑战进行讨论。1 聚合物/碳纳米管复合材料的制备聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法主要有三种： 液相共混、固相共融和原位聚合方法，其中以共混法较为普遍。 1.1 溶液共混复合法溶液法是利用机械搅拌、磁力搅拌或高能超声将团聚的碳纳米管剥离开来，均匀分散在聚合物溶液中，再将多余的溶剂除去后即可获得聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法的优点是操作简单、方便快捷，主要用来制备膜材料。Xu et al8和Lau et al.9采用这种方法制备了CNT/环氧树脂复合材料，并报道了复合材料的性能。除了环氧树脂，其它聚合物(如聚苯乙烯、聚乙烯醇和聚氯乙烯等)也可采用这种方法制备复合材料。 1.2 熔融共混复合法熔融共混法是通过转子施加的剪切力将碳纳米管分散在聚合物熔体中。这种方法尤其适用于制备热塑性聚合物/碳纳米管复合材料。该方法的优点主要是可以避免溶剂或表面活性剂对复合材料的污染，复合物没有发现断裂和破损，但仅适用于耐高温、不易分解的聚合物中。Jin et al.10采用这种方法制备了 PMMA/ MWNT 复合材料，并研究其性能。结果表明碳纳米管均匀分散在聚合物基体中，没有明显的损坏。复合材料的储能模量显著提高。 1.3 原位复合法将碳纳米管分散在聚合物单体，加入引发剂，引发单体原位聚合生成高分子，得到聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法被认为是提高碳纳米管分散及加强其与聚合物基体相互作用的最行之有效的方法。Jia et al.11采用原位聚合法制备了PMMA/SWNT 复合材料。结果表明碳纳米管与聚合物基体间存在强烈代写论文的黏结作用。这主要是因为 AIBN 在引发过程中打开碳纳米管的 键使之参与到 PMMA 的聚合反应中。采用经表面修饰的碳纳米管制备 PMMA/碳纳米管复合材料，不但可以提高碳纳米管在聚合物基体中的分散比例，复合材料的机械力学性能也可得到巨大的提高。2 聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状2.1 聚合物/碳纳米管结构复合材料碳纳米管因其超乎寻常的强度和刚度而被认为是制备新一代高性能结构复合材料的理想填料。近几年，科研人员针对聚合物/碳纳米管复合材料的机械力学性能展开了多方面的研究，其中，最令人印象深刻的是随着碳纳米管的加入，复合材料的弹性模量、抗张强度及断裂韧性的提高。提高聚合物机械性能的主要问题是它们在聚合物基体内必须有良好的分散和分布，并增加它们与聚合物链的相互作用。通过优化加工条件和碳纳米管的表面化学性质，少许的添加量已经能够使性能获得显著的提升。预计在定向结构(如薄膜和纤维)中的效率最高，足以让其轴向性能发挥到极致。在连续纤维中的添加量，单壁碳纳米管已经达到 60 %以上，而且测定出的韧度相当突出。另外，只添加了少量多壁或单壁纳米管的工程纤维，其强度呈现出了较大的提升。普通纤维的直径仅有几微米，因此只能用纳米尺度的添加剂来对其进行增强。孙艳妮等12将碳纳米管羧化处理后再与高密度聚乙烯(HDPE)复合，采用熔融共混法制备了碳纳米管/高密度聚乙烯复合材料，并对其力学性能进行了研究。结果表明： 碳纳米管的加入，提高了复合材料的屈服强度和拉伸模量，但同时却降低了材料的断裂强度和断裂伸长率。Liu 等13采用熔融混合法制得了 MWNT/PA6(尼龙 6)复合材料，结果表明，CNTs 在 PA6基体中得到了非常均匀的分散，且 CNTs 和聚合物基体间有非常强的界面粘接作用，加入 2 wt%(质量分数)的 MWNTs 时，PA6 的弹性模量和屈服强度分别提高了 214 %和 162 %。总之，碳纳米管对复合材料的机械性能的影响，在很大程度上取决于其质量分数、分散状况以及碳纳米管与基质之间的相互作用。其他因素，比如碳纳米管在复合材料中的取向，纤维在片层中的取向，以及官能团对碳纳米管表面改性的不均匀性，也可能有助于改善复合材料的最终机械性能。2.2 聚合物/碳纳米管功能复合材料2.2.1 导电复合材料聚合物/碳纳米管导电复合材料是静电喷涂、静电消除、磁盘制造及洁净空间等领域的理想材料。GE 公司14用碳纳米管制备导电复合材料，碳纳米管质量分数为 10 %的各种工程塑料如聚碳酸酯、聚酰胺和聚苯醚等的导电率均比用炭黑和金属纤维作填料时高，这种导电复合材料既有抗冲击的韧性，又方便操作，在汽车车体上得到广泛应用。LNP 公司成功制备了静电消散材料，即在 PEEK 和 PEI 中添加碳纳米管，用以生产晶片盒和磁盘驱动元件。它的离子污染比碳纤维材料要低65 %90 %。日本三菱化学公司也成功地用直接分散法生产出了含少量碳纳米管的 PC 复合材料，其表面极光洁，物理性能优异，是理想的抗静电材料15。另外，聚合物/碳纳米管导电复合材料的电阻可以随外力的变化而实现通-断动作，可用于压力传感器以及触摸控制开关16;利用该材料的电阻对各种化学气体的性质和浓度的敏感性，可制成各种气敏探测器，对各种气体及其混合物进行分类，或定量化检测和监控17;利用该材料的正温度效应，即当温度升至结晶聚合物熔点附近时，电阻迅速增大几个数量级，而当温度降回室温后，电阻值又回复至初始值，可应用于电路中自动调节输出功率，实现温度自控开关18。2.2.2 导热复合材料许多研究工作证明，碳纳米管是迄今为止人们所知的最好的导热材料。科学工作者预测，单壁碳纳米管在室温下的导热系数可高达 6600 W/mK19，而经分离后的多壁碳纳米管在室温下的导热系数是 30006600 W/mK。由此可以想象，碳纳米管可显著提高复合材料的导热系数及在高温下的热稳定性20。Wu 等21制 备 了 多 壁 碳 纳 米 管 / 高 密 度 聚 乙 烯(MWNTs/HDPE)复合材料，并对其热性能进行了深入的研究，实验结果表明： 导热系数随着 MWNTs 含量的增加而升高。当MWNTs 的质量分数达到 38 h，混合材料的导热系数比纯HDPE 的高三倍多。徐化明等22采用原位聚合法制备的阵列碳纳米管/聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料，在氮气和空气气氛下，复合材料的热分解温度比基体材料分别提高了约 100 和60 。在导热性能上，阵列碳纳米管的加人使得复合材料的导热系数达到 3.0 W/mK，比纯 PMMA 提高了将近 13 倍。2.2.3 其它功能复合材料在碳纳米管/聚合物功能复合材料方面最近有南昌大学纳米技术工程研究中心23研制的一种多壁碳纳米管/环氧树脂吸波隐身复合材料。通过对多壁碳纳米管进行高温 NaOH 处理，使碳管在其表面产生较多的孔洞，提高碳纳米管的表面活性;制备的吸波隐身复合材料具有良好的雷达吸波效果和可控吸收频段，这种吸波复合材料的体积电阻率在 106107 cm 数量级，具有优良的抗静电能力，这对于调整雷达吸波材料的吸波频段和拓宽吸波频宽有着重要意义。美国克莱姆森大学Rajoriat24用多壁碳纳米管对环氧树脂的阻尼性能进行了研究，发现碳纳米管树脂基复合材料比纯环氧树脂的阻尼比增加了大约 140 %。3 制备碳纳米管聚合物复合材料中存在的问题3.1 碳纳米管在基体中的分散问题碳纳米管的长径比大，表面能高，容易发生团聚，使它在聚合物中难以均匀分散。如何让碳纳米管在聚合物基体中实现均匀分散是当前需要解决的首要难题。经表面改性的碳纳米管可均匀分散在聚合物基体中，可以利用化学试剂或高能量放电、紫外线照射等方法处理碳纳米管，引入某些特定的官能团。Liu J 等25首先采用体积比为 31 的浓硫酸和浓硝酸对単壁碳纳米管进行氧化处理，得到了端部含羧基的碳纳米管，提高其在多种溶剂中的分散性。ChenQD26将碳纳米管用等离子射线处理后引入了多糖链。还可运用机械应力激活碳纳米管表面进行改性，通过粉碎、摩擦、超声等手段实现。3.2 碳纳米管的取向问题碳纳米管在聚合物中的取向应符合材料受力的要求，研究表明，通过一定的加工例如机械共混剪切可以改善碳纳米管在聚合物中的取向，从而进一步改善复合材料的性能。Jin L27将多壁碳纳米管溶解于一种热塑性聚合物溶液中，蒸发干燥制备出碳纳米管呈无序分散状态的薄膜，然后在其软化温度之上加热并用恒定负荷进行机械拉伸，使其在负荷下冷却至室温，发现通过机械拉伸复合物可以实现碳纳米管在复合物中的定向排列。3.3 复合材料成型问题当前碳纳米管/聚合物复合材料的成型一般采取模压、溶液浇铸等手段，模压操作简单、易于工业化，但在降温过程中，样品由于内外温差较大会发生表面开裂等问题;溶液浇铸形成的样品不受外界应力等因素的影响，但除去溶剂过程较长，碳纳米管易发生团聚。此外，聚合物进行增强改性所用的填料由原来微米级的玻璃纤维、有机纤维等发展到如今的碳纳米管，填料尺寸上的变化使复合物材料原有的加工技术和表征手段都面临着新的挑战，需要在今后大力发展原子水平的新型加工技术和表征手段，以适应碳纳米管聚合物复合材料发展的需要。4 结语碳纳米管以其独特的性能正在越来越多领域得到应用，随着科学技术的进步当前碳纳米管复合材料制备过程中存在的各种问题会逐渐得到解决，总有一天纳米技术会真正走到人们的现实生活当来，给人们的生活带来翻天覆地的改变。 一、改造前保温存在的问题电厂12MW 次高温次高压机组主蒸汽管道，原设计保温材料是硬质成型微孔硅酸钙，在运行中由于机组启、停时管道产生热位移，交变挤压;管道的轻微震动;长期高温使用等原因，造成硅酸钙碎裂粉化，形成很多裂缝，保温材料的热密封性能下降，蒸汽管道热能容易向外散发。同时保温材料塌陷出现空洞，特别是在水平管与垂直管段交接的弯头处出现脱节，保温效果很不理想，外表面温度平均55，局部温度高达150以上，散热损失较大。按GB4272 - 92设备及管道保温技术通则，在设备或管道外表面采取保温措施后，其保温层外表面温度必须小于50的规定，外表面温度已经超标。因此，节能降耗工作成为需要解决的当务之急，同时管道的保温节能改造既是技术的需要，是企业管理的重要内容，也是节能降耗的重要途径，因此电厂于2017 年对1#、2# 机组主蒸汽管道进行了保温节能改造。 二、保温材料的选择 (一)保温材料性能对比成型微孔硅酸钙产品具有质地较硬、抗热震性、可塑性差，容易碎裂粉化、容重较高、材料规格种类多、材料管理工作量大等缺点。复合硅酸盐纤维板和复合硅酸盐膏产品具有质地柔软、密度低、导热系数小、优良的热稳定性及抗热震性、优良的抗拉强度、无腐蚀无污染、施工简便可塑性强、使用寿命长，受热膨胀小，外包铁皮不会有拉裂、凹凸等优点，其保温效果特别好。 (二)产品综合经济效益复合硅酸盐纤维板和复合硅酸盐膏保温材料在相同工艺条件下，其使用厚度为硬质成型微孔硅酸钙保温材料的五分之三，可使管道外保护层用量相应减少18%，散热损失相应减少20%。无论是一次性投资，还是每年的散热损失费用等方面，均以使用复合硅酸盐纤维板和复合硅酸盐膏保温材料为最经济，且具有良好的综合经济效益。 (三)保温材料的选择通过以上对比，主蒸汽管道的保温材料采用复合硅酸盐纤维板和复合硅酸盐膏保温材料。 三、改造的施工技术方案及工艺要求 (一)拆除从锅炉主蒸汽出口集箱至汽轮机高压缸范围内管道上的原保温结构，清除干净管道表面的灰尘和铁锈。 (二)使用复合硅酸盐膏保温材料直接在管道、阀门表面进行涂抹，形成厚度为20mm 的基础保温层。 (三)在主蒸汽管道基础保温层上用细铁丝捆扎3 层复合硅酸盐纤维板，每层厚度为25mm，将它错缝粘贴，并用复合硅酸盐膏保温材料涂抹保温层的缝隙，保证其保温的密封性能。在第 1、 2、3 层复合硅酸盐纤维板外用细铁丝网整体捆扎、勒紧，防止保温层滑动、错位。外使用复合硅酸盐膏保温材料进行厚度为20mm 的密封涂抹，形成厚度为95mm 的主保温层。 (四)在主蒸汽管道主保温层上，用细铁丝捆扎一层复合硅酸盐纤维板，厚度为25mm，将它错缝粘贴，并用复合硅酸盐膏保温材料涂抹保温层的缝隙，保证其保温的密封性能。在第4 层复合硅酸盐纤维板外用细铁丝网整体捆扎、勒紧，防止保温层滑动、错位。外使用复合硅酸盐膏保温材料进行厚度为10mm 的密封涂抹，形成厚度为35mm 的加强保温层。 (五) 主蒸汽管道保温层构成为基础保温层(20mm)、主保温层(95mm)和加强保温层(35mm)， 总厚度为150mm。( 六) 最外层金属保护层的材料用0.8mm 铝皮封包， 相邻搭接不小于40mm，并在适当的位置留出自由膨胀余量。安装时，应紧贴保温层，环向接缝、纵向接缝和水平接缝必须上搭下，成顺水方向。弯头铝皮的外弧段另外增加一条宽度为50mm 的铝皮纵向连接，使弯头铝皮的环向、纵向都能连接成牢固的整体，不会产生脱节现象。(七)施工后的保温层，不得覆盖设备的铭牌、仪表等。设备的名称、介质流向标识、色标及时按原样恢复。四、改造后的效果及经济性分析 (一)改造前后监测点的外表面温度对比将弯头作为监测点， 对其改造前、后弯头监测点处的外表面温度测温。实施了保温节能改造后，外表面温度完全符合GB4272 - 92 规定的标准，原超温点已经消除，平均温度下降22，保温效果得到了明显的提高。 (二)改造前后的散热损失对比散热损失通常以热流密度q(W/m2)表示。散热损失与散热面积之乘积，就是该面积的散热量，所以散热面积内的散热损失表示了该区域的保温状况，该项指标是检验热力设备保温效果的主要指标 1. 改造前散热损失:主蒸汽温度为550，平均外表面温度为T w 前= 55，按同一环境温度25计算： 改造前为10.92W/(m2.k);q 改造前为327.6W/m2。可看出，改造前的散热损失已经超过标准值。2. 改造后散热损失:平均外表面温度为T w 后= 33，按同一环境温度25计算： 改造后为9.82W/(m2.k);q 改造后为78.56W/m2。可以看出，改造后的散热损失比标准值降低。 (三)改造后的经济性分析单位换热量的对比分析计算， 其中主蒸汽管道保温后外表面换热面积A=900m2。降低散热损失 q = q 改造前-q改造后= 249.04W/m2， 降低率q % =76%，减少热流量损失 =A q =22413