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天然纤维增强复合材料的妙用

随着对环境关注度的上升,天然纤维复合材料(NFC)和生物降解材料,作为一种新型环保的选择,越来越引起人们的开发兴趣。

天然纤维从亚麻、大麻、黄麻等植物中提取,其力学性能受到不同植物、气候、种植类型、地理区域、生产年限以及纤维提取技术的影响,此外初级纤维、纤维束和纤维丝之间性能也有差异。纤维和纤维束之间的差别如图。

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亚麻茎内部结构

(一)天然纤维复合材料的优点:

⑴出色的物理性能:特有的力学性能、良好的热性能、隔音绝缘、低密度、降低工具磨损、优异的成型性以及安全的碰撞表现(无裂缝)

⑵无毒、环保,有助于工作环境更健康、更安全。

⑶低成本,容易获得。

⑷因为可与玻璃纤维采用相同的工艺、工具、员工、设备、控制装置和技术,因而可实现简单的替代。

(二)分布地区:

生产天然纤维的主要地理区域分布在欧洲、非洲、北美、南美、亚洲、太平洋西南岸等,这些增强材料的主要制造商都在发展中国家,成本较低。

(三)应用领域:

汽车制造

1942年,亨利·福特公司采用大麻纤维复合材料制造了一辆概念车,但因经济限制没有投入生产。

1950年到1990年,由于钢材短缺,开发了首辆采用天然纤维增强材料生产的汽车Trabant。

最新的一个例子是在2008年7月,英国国际车展上推出的莲花汽车(LotusEcoElise),采用可再生材料(如大麻、生态毛或剑麻)、绿色科技和水性漆方案,比标准车减重了32kg。

如今,天然纤维已成功应用到汽车领域,通常,每辆车采用约10-15kg的天然纤维,减重30%。从1999年到2005年,德国汽车业采用的天然纤维(除了木料和棉)已经从9600吨到1.9万吨。这种快速增长显示了生物复合材料的优势和潜能。

航空制造

天然增强复合材料在航空领域的应用可追溯到二次大战期间,由于1939年到1945年间铝的短缺,英国由此开发了一种特殊的亚麻增强酚醛树脂,用于生产喷火式战斗机的机身蒙皮(FLIGHT-1942)。该材料名叫Gordon-Aerolite,被认为是“与塑料最接近的方法,但是拥有与金属可比的强度”。

在航空制造领域,由于涉及到相当复杂、漫长并且昂贵的认证程序,用新材料进行替代会对成本和时间有很大影响,因而发展相对缓慢。对天然纤维复合材料的应用首先是从不需要认证的超轻型飞机开始。首先考虑对超轻型飞机中非主结构件的制造采用NFC,然后再进行“适航认证”。

由于NFC的轻质和良好的绝缘特性,可用于内饰件,如帽盒、座椅、桌子或侧墙板,也可以用在外部的非结构件上,如雷达罩、整流罩或机翼和机身的结合处。

该材料在这一领域的最新应用包括超轻型飞机中的大麻/玻纤舵。

土木建筑

天然纤维对土木工程极具吸引力,尤其在发展中国家,如活动房屋、地板砖、面板或墙体材料,这是因为天然纤维成本低、易获得,能节约建造时间,降低建筑物的污染排放。

其他应用

其他一些对天然纤维复合材料的应用实例还包括:复合材料船体、座椅、灯、桌子、座位、外壳、地板、标识、火车内饰件、天然纤维增强蜂窝芯材等等。

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