麦秸粉末温压成形工艺及力学行为研究

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自从国家提出可持续发展战略和两型社会建设目标以来,节能减排、低碳生活方式逐渐成为人们工作、学习与生活的主导。面对资源紧缺、环境污染日益严峻的形势,新能源、新材料的开发势在必行。麦秸秆等农耕生产剩余物数量巨大,且可再生,是一类非常有潜在应用价值的生物质资源。然而,大量的麦秸秆等农耕生产剩余物往往被焚毁于田间地头,造成了严重的环境污染和巨大的资源浪费。通过温压成形高质清洁利用麦秸秆等农耕生产剩余物,对缓解资源紧缺、保护生态环境具有极其重要的现实意义。本文以麦秸秆为基材,经粉碎后采用无胶温压成形工艺,经封闭模压制成形制备麦秸粉末压坯,检测压坯的密度、静曲强度和内结合强度。结合正交试验法和Msc.Marc非线性有限元分析软件,分析不同压制条件下压坯的密度、静曲强度以及成形过程中的力学行为。具体工作如下:1、通过试验获得了麦秸粉末及粉末颗粒的松装密度、振实密度、外摩擦系数等基本物理参数。麦秸粉末在温压条件下,塑性的提高、粉末的重排以及孔隙的坍塌是驱动压模机压力往复变化的原因,也是密度提高的根本原因。从压坯的表面看出,当压力和温度过高、保温时间过长时,压坯碳化严重,并有大量类似胶体的物质粘于表面,造成脱模困难。因此,合适的压力、温度和保温时间对压坯的密度和性能的影响巨大。2、采用单因素试验和正交试验法分析了压力、温度和保温时间对密度、静曲强度和内结合强度的影响,总结了各因素对压坯密度、静曲强度和内结合强度的影响方式与显著性。方差分析结果表明,对压坯各性能影响的显著性大小排序为:成形温度>成形压力>保温时间。确定麦秸粉末无胶温压成形的优化条件为成形压力11MPa、成形温度160℃、保温时间30min。3、采用MSC. Marc有限元分析软件,对麦秸粉末无胶温压成形过程进行数值模拟,分析粉末在压制过程中的力学行为和密度分布。得出结论:摩擦力对压坯的密度和力学性能的负面影响很大,减小摩察系数能够有效改善压坯性能。温度场分析和室内试验结果表明,温度场由表及里呈逐渐减小的梯度分布,温度分布不均导致粉末的木质素、纤维素等成分的降解与重组不均匀,表面碳化使得压坯的内结合强度、静曲强度、密度分布不均匀。理论分析结果表明,提高粉末的热传导率能够有效提高压坯各个性能。通过麦秸秆压坯密度的试验测量和理论计算,得到了麦秸粉末压坯的实测密度和计算密度,并分析得到了压制压力与压坯密度的理论方程和修正项,获得了与试验结果相符度较高的压力-密度数学模型。
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