金属功能材料

金属功能材料（精选7篇）

金属功能材料 篇1

答：（1）能量与信息的显示、转换、传输、储存等方面，具有独特功能的一类材料，这些特殊功能是以它们所具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学等物理性能为基础的；（2）主要包托：贮氢合金、梯度功能材料、磁性材料、金属薄膜材料、环境材料、纳米金属材料、非晶态金属材料、信息材料、超导材料和智能金属材料等。

2.是超导体，超导体的种类，简述YBCO的制备原理。

（1）在一定低温情况下导体的电阻为0的导体叫做超导体，按照人们的认识分为两种, 一种是简单的超导体, 利用BCS理论可以描述.另一种是高温超导体, 研究发现与能带的p-波有关, 又称p-波超导体.（2）2．1烧结法

选用氧化物或碳酸盐为原材料，首先将各种原材料要纯、细，配料时严格按照YBa2Cu3O7(简称123相)配比，然后研磨使得原料均匀混合，将材料预合成单

一均匀的123相合成料，再次将粉末研磨3～4小时，通过压制将样品压制成紧密结构，最后将有压制好的样品放入瓷坩埚中，并放入炉内烧结。烧结工艺是制备YBCO超导陶瓷的最关键步骤，由于YBa2Cu3O7较难烧结，在高温下不一致熔融，O呈现分解熔融，当温度升高到1000C左右时，有部分液相产生。一般为了提高

难烧结物质的烧结性，往往加入少量的烧结助剂，但这种方式，会使得超导陶瓷的特性变差，所以有必要改善粉末体的特性和选择适当的烧结制度。实际烧结时要得到纯粹的Y123相是不容易的，即存在组成的不均匀性。在这种情况下，为得到异相析出尽量少的Y123烧结体，有效的方法之一是降低烧结温度[3]。另外烧结条件下的氧分，升降温制度也是非常重要的方面。研究结果表明，为得到具有良好超导性的烧结体，必须在适当的氧压分气氛下从高温缓慢冷却，在500～600OC保温且维持该氧气氛。

2.2共沉淀法

利用以硝酸钇、硝酸钡和硝酸铜为反应原料溶于水中，而后加入草酸作为沉淀剂，获得相应的草酸盐共沉淀产物，经过滤分离后，将沉淀物在800～900OC加热分解和固态反应可得到组成均匀的YBa2Cu3O7多晶体粉体。在粉末预烧结过

程中,在850OC烧结，即能完成123相转变，在915OC能得到杂相含量非常少123的单相粉。采用共沉淀法获得的粉末具有含杂质少、颗粒细、组成均匀、无第二相分布的YBCO块状多晶的优点，共沉淀粉烧结样品晶粒边界附近约有2～5nm厚的富铜、贫氧和贫钇层，这一非化学计量层和样品中的疏孔、裂纹等构成了样品的弱连接区 ,并导致低临界电流密度[4]。但是共沉淀法存在的问题是投入料的组成与共沉淀物的组成间有偏离，而偏离相的组成较大时，最后的成分中可能出现不同的相，这些相将直接影响YBCO材料的特性。

2.3熔融法

[5]1987贝尔实验室采用熔融冷却工艺得到了块体超导陶瓷材料（YBa2Cu3O7），其临界电流密度已达到7800A/cm2(77K,0T)，甚至77K,1T时，临界电流密度仍大于1000 A/cm2，这被认为是由于无弱连接且晶界极其洁净的缘故。

熔融法实验方法是首先在红外、X光分析基础上制备高品质的Y123的超导体粉和Y2BaCuO4(Y211)粉体，掺与10%的Wt Ag2O以及不同比例的Y211相粉末后，OO在880C烧结24h,再压块成形，经920C X 24h+970OC X 24h烧结后，富40%mol的Y211的样品，体密度达到5.4g/cm3左右；最后在具有一定温度梯度的管式炉

中，进行熔融慢冷生长，慢冷速度为1 OC/h，样品两侧的温度为1.5 OC/cm，这样

就可以获得YBCO超导材料。此方法中Y123以籽晶（Sm123）为中心向四周生长

出较大尺寸的晶粒，这样一来，不仅能控制晶粒生长方向，而且还能减小大角度

晶界的产生[6]。由于这类晶体的尺寸较大，在退场时冻结磁通能力很强，对永久

磁体可产生较大的吸引力，主要用于磁悬浮力中。

2.4定向凝固法

目前制备 YBCO块材的熔化工艺虽然有多种, 但其实质都是在高温下21

1固相与富钡铜的液相通过包晶反应定向凝固成片层排列的YBCO。利用定向凝固

技术制备 YBCO可使材料显微结构按择优生长方向规整排列, 获得定向组织[7]。

采用固相反应法，首先将Y2O3,BaCO3和CuO三种粉末按原子比 1：2：3的比例混合、研磨，在玛瑙研钵中研磨10h左右，然后在热处理炉中900OC下烧结

20h，再研磨、烧结,直到得到纯 Y123相。Y211粉末的制备与 Y 123粉末的制

备原理相同。将所制备的 Y123和 Y 211粉末按一定比例混合研磨后装入模具中,在一定压力下将其压制成 2mmX2mmX12mm的棒材, 并在热处理炉中900OC下热处

理 12h,得到定向凝固需要的棒状预制体。定向凝固试验在自制的氧化物定向生

长装置上进行，炉体加热方式为立式双区加热利用定向凝固技术获得的YBCO超

导棒材具有高度取向排列片层组织、颗粒细小等特点。

3记忆合金的特性，应用领域。

记忆合金是一种原子排列很有规则、体积变为小于0.5%的马氏体相变合金。这种合金在外

力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。由于它具

有百万次以上的恢复功能，因此叫做“记忆合金”。当然它不可能像人类大脑思维记忆，更准

确地说应该称之为“记忆形状的合金”。此外，记忆合金还具有无磁性、耐磨耐蚀、无毒性的优点，因此应用十分广泛。科学家们现在已经发现了几十种不同记忆功能的合金，比如钛－

镍合金，金－镉合金，铜－锌合金等。

（1）利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。

（2）外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。

（3）内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作，如热机、热敏元

件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。

（4）超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。

4.的制备方法。

答：制备金属薄膜的方法大体可分为两大类：化学方法和物理方法。化学方法包括：化学气

相沉积法、液相生成法、氧化法、扩散法、电镀法等。物理方法包括：真空热蒸发法、直流

溅射、磁控溅射法、射频溅射、脉冲激光沉积、分子束外延生长法等薄膜的制备方法。

5.钢提高耐腐蚀性和韧性的方法是什么？

1、让含碳量减少，提高铬镍合金的含量。Cr：显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时

降低塑性和韧性。提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。使A3和A1温度升高，GS线向左上方

移动。铬为中强碳化物形成元素。1降低C的含量

一般情况下，钢的强度随着碳含量的增加而上升，因此，高强钢的含碳量较高。但是，碳的增加首先影响的是钢板的焊接性，这对于船板制造是极为重要的。其次，含碳量越低，钢板的冲击韧性就越好，但是碳含量降低到一定程度后，转炉终点氧含量必然会大幅度升高，导致钢中的夹杂物增多，从而又会降低钢的低温冲击韧性。固降低碳含量也有下限规定，应

该不低于0.09％。中国船级社规定(GB／T712—2OO0)，各级别船板的含碳量都有上限，钢材级别A、B、D、E的含碳量分别小于0.21％、021％、0.21％和0.18％；高强度结构

钢的含碳量不高于0.16％，各生产厂家的内控指标还要低一些。

2钢水的纯净化与均匀化

纯净化手段也是均匀化的根本保证，如果钢水的成分不能保证均匀，将直接影响合金

元素的分布，进而在钢板的轧制过程中出现偏析，严重时出现带状组织，导致缺陷的产生。

钢的组织均匀化和纯净化后，钢中的夹杂物必然减少，弥散分布的氧化物、氮化物等如果呈

球形，大大降低对基体的割裂作用。通过向钢中加入稀土元素，改善夹杂物的形貌和分布。

3两阶段轧制过程中钢板组织的细化

粗轧和精轧是组织的细化的关键工序，直接它和随后的控制冷却一起，直接决定了船

板的最终力学性能。简言之，就是在粗轧阶段，尽量使每道次变形都能够超过临界变形量，保证奥氏体组织的充分再结晶，从而反复细化高温奥氏体；在精轧阶段，由于处于未再结晶

区，不必强调每道次的压下量，累积的变形量同样可以达到目的，一般而言，道次压下量不

低于12％，特别是最后三道次，每道次压下量应大于l5％。

提高船板的强度不是很难，而配以相当高的韧性，即保持低温下良好的冲击韧性和抗

冷弯性能，才复合高级船板钢的要求。组织细化方法是目前既提高强度，又不降低韧性的唯

一手段，钢水的纯净化和均匀化，严格的成分控制，最终都是为组织细化服务的。钇钡铜氧的超导原理；

答案：传统超导理论（BCS理论）

1957年美国人巴丁、库柏和施瑞弗在电子和声子相互作用的基础上建立了低温超

导的微观理论（即BCS理论），解释了超导电性的起源，阐明了超导的本质。所

谓BCS理论，是解释常规超导体的超导电性的微观理论。该理论以其发明者巴丁

（J.Bardeen）、库珀（L.V.Cooper）施里弗（J.R.Schrieffer）的名字首字母命

名。BCS是典型的弱耦合理论，把超导现象看做一种宏观量子效应，认为电子间如果存在电子与晶格相互作用产

生的吸引力大于电子间的库伦排斥力而使电子间呈现一种净的吸收作用，那么它

们就能够形成一个束缚态，这种束缚态时两个电子组成电子对偶，称之为库珀对，库柏对对超导电流的形成起决定性作用。在BCS理论提出的同时，尼科莱•勃格

留波夫（Nikolai Bogoliubov）也独立的提出了超导电性的量子力学解释持不同

见解的大概分为费米液体派和非费米液体派，前面所探讨过的BCS理论是在费米

液体正常态的框架上建立起来的机制。

电声子机制：该机制认为，在超导体内两电子间由于交换声子而产生了吸引作用，当这种吸引作用大于电子本身的库伦排斥作用时，两电子就形成电子对引起超导

电性。

同位素效应对探索超导机制有特殊意义。高温铜氧化物超导体的同位素效应指数

远小于0.5，这使得许多人提出了非电声超导机制或混合超导机制。

激子机制：所谓激子，是指由于一直电子系统的极化所导致的能量激发。勒特耳认为超导体内的净吸引力是使两电子间交换激子而产生吸引作用而不是之前所说的利用交换声子使两电子产生吸引。如果这种激子机制能产生两电子间的净吸引力，那么将可以预期出现超导态。尽管理论上做了很多设想，但迄今为止还没有试验事实能够肯定激子超导机制。

美国的P.M.Anderson是反对用费米液体描写高温超导体的代表之一，他提出了共价键态理论来说明高温超导机制。

共振价键理论（RVB态）

这一理论是基于高温氧化物的低维性、反铁磁的邻近性和载流子密度低等特点提出的。该理论认为电荷与自旋自由度分离，这与费米液体的基本点不同，在相邻原子上，自旋相反的两轨道电子形成共价键，而这些共价键可以在两个以上的位置之间共振。

“共振价键理论”（RVB）是一种由实空间定域配对转变为能量空间的非局域配对机制。共振价键理论中，无电子型的准粒子，而电子的强关联是导致系统电荷和自旋自由度相分离的原因，从而有空穴子和自旋子两种元激发。

双成分理论【2】：我国著名物理学家章立源提出的双成分理论认为，巡游载流子形成的库珀对与近局域对彼此相互相干作用从而诱导增进了超导态中的有效配对位势，从而形成高温超导。

其他理论

其他超导理论如Nesting模型、反铁磁费米液体模型、自旋口袋（spin bag）模型、任意子模型等等理论也是著名的超导理论但如前所说，这些众说纷纭的理论都能在一定程度上说明一些超导现象，但也没能给人足够的证据其适用于钇钡铜氧高温超导机理，可见，目前已存在的理论要么是在传统的BCS理论的框架上进行扩展，要么另辟蹊径发展一种全新理论。但至今仍未见一种能够解释高温超导如钇钡铜氧足以令人信服的理论，看来钇钡铜氧的高温超导机理的探索还需要进一步发展。

金属功能材料 篇2

工业装备技术和航空航天科技的迅猛发展对高性能工程材料的设计与制备提出了更高的要求,如:轻质、高强/高韧、散热、降噪、智能化、多功能化应用等.以此为背景,超轻多孔金属材料因其优良的结构效率和广泛的多功能应用前景,近年来成为众多研究关注的热点[1,2].

按照材料微结构的规则程度,可将多孔金属分为无序和有序两大类,前者包括随机分布的开孔与闭孔金属泡沫,后者包括二维与三维点阵/格栅材料,见图1.就结构承载效率而言,由于金属泡沫的微结构胞壁存在弯曲变形而点阵/格栅材料的胞壁以轴向伸缩变形为主,后者的结构效率显著高于前者.但在降噪隔声与抵抗爆炸冲击方面,金属泡沫的效率往往要高于点阵/格栅材料.

图2比较了多孔材料与传统最轻重量结构在受弯时的结构效率,发现桁架点阵材料的结构效率与航空航天中广泛应用的蜂窝夹层板相当,但蜂窝夹层板为封闭材料,其多功能应用范围不如桁架点阵材料(开孔材料),例如:利用材料的内部开孔进行对流换热以满足结构温度控制需求;作为吸能材料抵抗外部冲击爆炸;作为吸声降噪及屏蔽电磁辐射材料;结构作动等[4].将多个功能集于一身,有助于进一步降低材料/结构的总体重量,提高结构运行可靠性.

多孔金属材料的机械性能乃至多功能性能与其孔隙率和孔结构直接相关,改变孔隙率和孔的形貌及尺寸将直接影响到材料的综合性能.因此,与传统材料相比,多孔金属具有更好的可设计性,可根据不同工程需求在材料成型前对其微观结构进行优化设计以及多功能、多学科协同优化设计,给力学和材料工作者提供了更大的创新空间.

本文将结合本课题组近年来围绕“超轻多孔结构创新构型的多功能化基础研究”国家基础研究计划项目所开展的一系列工作,综述轻质多孔材料的宏观等效模型、优化设计与多功能化应用等方面的最新研究进展.

1 多孔材料的宏观等效性能

多孔材料的宏观等效性能一直是众多研究所关注的重要课题.Gibson等[2]在其经典著作中阐述了多孔固体的宏观等效刚度、屈曲和屈服等问题,着重于六边形蜂窝结构、聚合物泡沫以及生物泡沫结构(如骨头与木材).Ashby[5]随后将上述细观力学模型推广至金属泡沫材料的设计、制造与工程应用.在给定的相对密度条件下,Evans等[6]获得了周期性分布点阵材料的刚度与强度要大于随机分布泡沫多孔材料的结论,并得到实验验证.

有关复合材料宏观等效性能的理论框架最早由剑桥大学的Hill[7]建立,基于此框架,Hohe等[8]和Hohe等[9]通过对单胞施加宏观对称应力、应变约束,研究了具有刚节点的周期性点阵材料的弹性宏观等效参数.他们同时假定节点转角变形也是周期性分布,计算结果显示了点阵取向对弹性宏观等效参数的影响.Kollar等[10]通过应变能等效(或应力等效)并施加周期性边界条件,将点阵材料与二维/三维连续体等同,进而将点阵材料的等效弹性参数和强度参数表达为材料几何参数和基材料物理属性的函数.Gibson等[2]给出了二维周期性六边形蜂窝点阵结构、方形和三角形点阵结构的宏观等效机械性能,而三维八面体桁架点阵结构的宏观等效机械性能则由Deshpande等[11]给出.针对轻质三明治材,刘涛等[12,13,14]针对三明治材料给出了一种用于计算具有面板约束的点阵/格栅材料宏观等效性能的方法,并将此方法与层合板理论结合应用于分析三明治结构的力学响应.

在多孔材料非线性行为的宏观等效模型方面,Deshpande[15]提出了泡沫多孔金属材料的各向同性本构关系模型,该模型同实验较好吻合而被众多商业软件(如ABAQUS)所采用.Xue等[16]针对有序多孔金属夹层板提出了一个唯象各向异性本构模型,数值计算表明该模型可以预测结构的准静态响应.Mohr[17]和Rabczuk等[18]基于细观力学方法分别提出了针对桁架点阵材料和二维多孔夹层材料的本构关系模型,数值计算表明这些模型可以模拟这些材料的非线性行为.

针对各类场问题(如应变场、应力场以及热场等)的平均化过程在应用数学领域亦被称为“均匀化”.Sachez-Palencia[19]研究了具有周期性边界椭圆、抛物线和双曲线偏微分方程(PDE)的均匀化问题,将PDE中的变量表达为宏观与微观位置变量的函数.然而,上述工作更多地关注PDE解的存在性及唯一性的讨论,并未给出显式求解方法.对于周期性点阵结构,目前更多的采用小参数摄动方法计算,即:假设点阵微观胞元长度为l,材料宏观长度为且满足ε=l/L1,可以将微观场变量表达为关于ε的多尺度展开式.关于上述概念可参见文献[20].Cioranescu等[21]利用上述方法计算了具有简单拓扑的周期性点阵结构的线弹性响应,计算结果与Gibson等[2]的模型预测吻合较好.基于同样的方法,Hassani等[22,23,24]从应用力学的角度出发,就线弹性问题综述了均匀化方法和拓扑优化,介绍了上述问题的变分格式与有限元求解,同时给出了周期性单相多孔材料的计算结果.基于小参数摄动方法,文献[25]研究了考虑材料设计变量的热-固耦合结构的优化设计问题,发现结合结构宏观设计变量和材料微观设计变量的协同优化设计可以取得较单一尺度设计变量优化更佳的结果.此外,结合参变量变分原理和小参数摄动方法,文献[26,27]亦给出了一种材料弹塑性性能数值模拟的多尺度方法和相应的优化方法.

2 多孔金属材料的多功能应用及优化设计

由于受到可设计性的限制,传统材料的设计一般遵循由材料功能到实际需求的原则,即:根据材料性能可能覆盖的范围,调整材料有限的设计参数使之能够满足工程实际需求.因此,在大多数情况下,材料的设计与选型无法达到真正的最优化.由于上述因素局限,传统材料的设计一直是材料工程人员的主战场,力学工作者特别是固体力学工作者虽然以材料为研究对象,但只发挥了辅助和参与的作用.随着以多孔材料为代表的、具有复杂微结构的先进复合材料的发展,材料的可设计性已有了大幅度提高,可直接从工程实际需求出发利用优化技术设计出各类性能优越的材料[4]:力学工作者充分利用已掌握的力学理论与材料机理进行创造性的工作,进而在材料设计方面逐步占据了主导作用.

2.1 材料微结构的拓扑优化

多孔材料的优化设计可以在拓扑、形状和尺寸3个方面进行.Larsen等[28]和Sigmund等[29]分别利用逆均匀化方法和拓扑优化技术获到了具有负泊松比和负热膨胀系数的多孔材料单胞拓扑构型.基于同样的方法,Sigmund[30]给出了一类具有极限性能的多孔材料单胞微结构设计,分别包括体积模量和剪切模量接近或达到Hashin-Shtrikhma上限的各向同性二维/三维多孔材料的单胞设计(见图3).进一步的工作还包括:声子晶体的拓扑优化设计[31];作动器的拓扑优化设计[32,33]等.由于上述微结构的拓扑优化大多关注于优化算法本身,诸多具有极限性能的材料设计很难或不可加工.针对这个问题,Hyun等[34]以及Hyun等[35]分别结合材料的可加工性研究了微结构的拓扑优化,提出了一种称为Kagomé的二维单胞构型并将之推广至三维结构;该种类型的单胞在满足可加工性的同时具有接近Hashin-Shtrikhma上限的体积模量和剪切模量(见图4).

总体来看,材料微结构的拓扑优化取得了令人瞩目的成果,但就实用性而言,由于这些成果很少能够直接应用于工程实践,其更多的作用是为材料微结构选型提供辅助参考.

2.2 多孔材料的最小重量设计

多孔材料的最小重量设计是衡量材料结构效率的重要指标.Hutchinson等[36]研究了金属泡沫三明治壁圆柱壳受压屈曲问题,优化结果表明其结构效率与加筋圆柱壳相当.Wicks等[37]比较了金属全桁架材料板与四面体桁架点阵夹层材料板(具有实心面板)的结构效率(最小重量设计).对受弯剪结构(以三点弯曲结构为优化对象),上述两者材料与蜂窝夹层板结构效率相当;对受面内压力壁板结构,四面体桁架点阵夹层材料板的结构效率已经超过帽型扶壁结构[38].在此基础上,Deshpande等[39]进一步研究了四面体桁架点阵夹层材料板(具有实心面板)在三点弯曲下的结构效率,分别考虑面板屈服,面板起皱以及夹层杆元受剪屈服/屈曲等四类破坏模式.不同于文献[37],上述工作利用失效模式图研究了各类失效模式之间的相互关联,发现最优设计位于各类失效模式范围的交界处,而桁架杆元的几何尺寸比(aspect ratio)在优化设计中基本保持不变.Valdevit等[40]研究了二维波纹夹层板和菱形夹层板在弯剪载荷下的最小重量设计,发现波纹夹层板在长度方向的承载效率最高,其结构效率接近蜂窝夹层板结构.Rathbun等[41]针对受弯夹层板结构提出了一种针对构件强度的优化方法,优化中考虑了失效模式的发生顺序对优化结果的影响.刘金生等[42]研究了桁架点阵夹层材料的多目标、多工况、多参数优化问题,提出了一种斜头金字塔型的单胞拓扑构形,但对于其结构效率并没有深入研究.刘涛等[13]从宏观等效性能模型出发,研究了桁架夹层材料单胞的形状优化,发现在仅考虑强度约束的前提下,受弯剪和受单轴压桁架夹层板的结构效率对拓扑设计变量并不敏感;针对受弯剪结构和受单轴压结构,提出了创新性材料单胞的设计.利用上述宏观等效性能模型,刘涛等[14]进一步研究了受内压有序多孔金属夹层空心柱体的优化,结果表明对于受内压空心柱体这样的非弯剪结构,有序多孔金属亦表现出了优异的结构效率.

综上所述,在静载荷条件下,多孔金属材料在受弯剪结构、受轴压结构和受内压空心柱体结构等方面均表现了良好的结构效率.以此为基础,多孔金属材料的多功能特性彰显的更为优越.值得注意的是,上述诸文献中的优化结果均以无量纲的形式给出,强调优化结果是材料/结构的普遍规律而不是针对某个具体问题的优化方案,而计算力学中的结构优化研究更侧重于优化方法本身的创新,这是二者的最大不同.

2.3 多孔金属的传热特性与优化

利用材料中的高体积比孔隙传热是多孔金属多功能特性中受到广泛关注且研究最多的领域.金属骨架材料的高热传导系数、孔穴内强制对流换热以及这些结构中的高比表面积使得通孔多孔金属具有优良的换热性能(图5).

针对通孔金属泡沫的传热性能研究一般集中于常温导热和单相对流传热.Hunt等[43]对泡沫铝中以水为冷却剂的对流换热进行了研究,并对热扩散进行了分析.金东范等[44]对泡沫铝的空气对流换热冷却效果与传统翅片式换热器进行了对比,结果发现泡沫铝的传热效果明显优于后者.赵长颍等[45,46,47,48,49,50]对钢合金与铜合金泡沫的空气对流换热及热辐射性能进行了理论与实验研究,主要成果包括:针对金属泡沫的流体动力特性,确定了动量方程中的非线性项在不同雷诺数下的作用,基于金属泡沫微结构提出了非线性惯性力项的显式表达式;针对钢合金及铜合金泡沫的空气冷却对流换热特性,测定了对流传热随雷诺数及金属泡沫微结构参数的变(a)二维菱形夹层板的主动散热示意图化规律,建立了基于金属泡沫微结构的单相对流传热模型;测定了在真空状态下金属泡沫的当量导热系数随温度的变化规律,进而确定了高温热辐射在金属泡沫中的热传递规律.

点阵结构的流动传热规律研究目前主要集中于单相强制对流换热.Hoffman[51]对Kagomé夹层结构中的流体压降和热传导性能进行了研究,结果发现其流动与传热均为各向异性.金东范等[52]对单层桁架点阵夹层结构中的主动对流换热进行了实验、理论和数值研究,揭示了该结构中流体压降及传热的局部及整体分布特征,同时发现与不含夹芯层的平板对流传热性能相比,引入点阵结构层芯使整体传热性能提高了6倍.

由于芯材的不规则性,即便在雷诺数很小的情况下,流体在金属泡沫或三维点阵多孔材料中以湍流流动为主.而对于二维夹芯材料如:波纹板和菱形夹层板,当雷诺数在一定范围内变化时,流体流态为层流,因而大大减少了流阻.金东范等[52,53]研究了蜂窝形二维夹芯材料的主动对流换热特性与效率,计算表明该材料较泡沫金属材料的换热效率更高.卢天健[54]综述了有序多孔金属材料的主动散热特性与效率,阐明对于有限长平板,进口与出口对传热效率有很大影响.针对有限长度夹层板,闻婷等[55]利用实验方法和数值模拟研究了4种单胞截面形式的二维夹芯材料主动对流换热特性与效率,结果表明实验方法和数值模拟能够有较好吻合,在此基础上对材料微结构进行了优化设计.

在多孔金属传热优化方面,Valdevit等[56]研究了无限长二维菱形夹层板的主动传热效率优化问题,发现夹芯的最优密度为25%～50%,而部分几何参数对传热效率没有影响.顾赛等[57]研究了5种截面形式的无限长二维菱形夹层板的主动传热和夹芯层抗剪刚度的组合优化问题,发现在板较薄的时候,三角形单胞具有最优效率,而当热流量较大的时候,六边形单胞效率最高.考虑夹层板长度对传热效率的影响,闻婷等[58]研究了二维菱形夹层板的主动传热效率优化问题,得到了考虑夹层板长度影响下最优设计的一般规律.在此基础上,刘涛等[59]研究了二维菱形夹层空心柱体的最小重量/最大传热效率的双目标优化问题,提出了一个综合评定结构效率和传热效率的指标,发现曲边矩形单胞夹层柱体的综合性能最高.

2.4 多孔金属的抗冲击爆炸性能

多孔金属材料的抵抗爆炸冲击性能(吸能性能)是目前受到广泛关注的课题之一.当爆炸物在空气中引爆时,爆炸引起的快速膨胀气流把爆炸物周围的气体压缩并将其以很高的初速度抛出(初速度可达7200 m/s,与爆轰速度相当).快速膨胀气流亦会引起具有压力、密度、温度以及速度不连续分布的冲击波.当遭遇到一个固体平面时,冲击波被反射,波阵面上的压力也随之加大(可放大到初始值的8～20倍).多孔金属夹层材料可以显著耗散冲击波施加在结构物表面的能量,进而保护结构不受或少受损坏,其抵抗远场爆炸的机理可见图6.Xue等[16,61,62]采用三维有限元并考虑基材料屈服强度、应变硬化率以及应变率灵敏度研究了方形蜂窝夹层板、波纹板和金字塔型桁架点阵夹层板在爆炸冲击下的力学行为.相关研究表明,多孔金属夹层板较同等质量的实心板抵抗爆炸冲击性能有显著提高,这种优势主要得益于:(1)流体-固体接触效应显著减少了冲击波传给固体的动能;(2)夹芯层的压溃破坏消耗了部分冲击波能量;(3)夹层结构的抗弯刚度较实心板大,因而在第3阶段(见图6)可以消耗更多的能量.

由于问题的复杂性,针对多孔金属材料抵抗爆炸冲击性能的优化设计较为困难,已有研究均是对方案比较而未见真正意义上的优化设计,因此这方面的工作还有待开展.

(a)第1阶段,冲击波施加在夹层板外表面,部分被反射,剩余部分向夹层板内部传递,此时内面板变形速度为零;(b)第2阶段,夹芯层被压溃破坏,部分冲击波能量被耗散,此时内面板变形速度为零;(c)第3阶段,夹层板在冲击能量作用下发生弯曲,此时内面板变形速度大于零[60]

2.5 其他应用中的优化设计

在多孔金属材料的多功能应用中,结构作动也受到广泛关注.这个问题的背景是为有作动需求的承载结构提供设计支持,如:卫星帆板结构,飞机可变形翼,大型体育馆中可开关屋顶等.利用形状记忆合金由马氏体相变引起的非弹性变形会在奥氏体温度恢复到变形前的形状这一机理,卢天健等[63]采用形状记忆合金作为波纹夹层板的面板,提出了一种弯曲作动器的优化设计,目的是对夹层板进行优化以减少夹芯层的应变能从而使变形效率最高.在此基础上,卢天健等[63]利用导电聚合物为作动元件,提出了一种波纹夹层板弯曲作动器的优化设计;进一步的研究还包括基于Kagomé结构的作动器[[64]].

利用多孔金属进行隔声降噪也是许多研究所关注的领域.卢天健等[65]利用实验和理论分析研究了半开孔多孔金属的吸声性能,讨论了孔径、空隙率的优化选择问题;Ruzzene[66]利用谱有限元研究了桁架夹层材料的振动和声学特征;王健等[67]理论研究了轻质夹层板作为声屏障的隔声特性及其优化.值得注意的是,多孔金属的声学特性研究并不充分,这方面还有大量工作有待开展.

3 结语

高性能材料的轻质化不仅是过去几十年材料科学研究的重要目标,也是今后可预见的几十年里不变的主题之一.随着高新技术的迅猛发展,人们已不再满足于单纯的轻质化,而是寻找兼有轻质和其它某种或某几种优良性能相结合的先进材料以适应不同的需求.

金属功能材料 篇3

关键词:铝电解多功能机组;自重载荷;起升载荷;冲击载荷

中图分类号:TF821 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)10-0104-01

铝电解多功能机组能完成铝电解生产中的打壳、换极、下料、清渣、出铝、辅助提升阳极母线、吊运电解槽和其机构零星吊运作业。再加上其工作环境本身具有高温高磁场,粉尘大等特点。因此铝电解多功能机组的金属结构所受的载荷非常复杂。

铝电解多功能机组的金属结构始终所受和经常作用的载荷,包括自重载荷、起升载荷、冲击载荷和惯性载荷等属基本载荷。机组正常工作状态下受到的不经常作用在金属结构上的载荷,包括风载荷、工艺性载荷、机组偏斜运行侧向力载荷以及由于温度磁场造成的载荷等将其归属到附加载荷;由于试验载荷,安装、地震及碰撞载荷出现几率较低,只在特殊情况下出现,属特殊载荷。

1自重载荷

自重载荷包括铝电解多功能机组大车小车的金属结构重量、配套件重量、料箱里物料的重量。配套件的自重载荷可由配套厂商提供的产品样本查询, 按均布载荷处理。

例如:计算一大车主梁受的自重均布载荷qj:

主梁的自重G1,主梁上布置的固定电葫芦G2,主梁上方电控箱G3,主梁上栏杆等总重G4。

大车主梁自重按均布载荷处理,其值为:qj=,式中 L为主梁跨度。

2起升载荷

出铝车吊运铝包,抓斗捞渣,固定电葫芦吊运电解槽,提升阳极母线都可按其起升所承受重量计算载荷。

例如,出铝车钢丝绳所受的最大拉力:Smax = 。

式中,Q为额定起重量,kg;GD为吊钩组重量,kg; M为滑轮组倍率;ηh为机械效率。

根据所选钢丝绳型号查相关手册确定钢丝绳的最小断裂载荷 F0,钢丝绳的安全系数 n =。

根据用户提供的多功能机组的工作制度,计算的工作循环总数以及相关经验来确定整机和起升机构工作级别,根据工作级别来确定最小的安全系数 [n] ,我们要求n>[n]。

工作循环总数N=。

N为工作循环总数;Y为起重机使用寿命,年;A1、A2为30年;A3、A4、A5为25年;A6、A7为20年。

D为起重机一年工作天数;H为起重机每天工作小时数,h;T为起重机一个工作循环的时间,s。

3冲击载荷

起升冲击系数1。

当机组起升机构变速升降重物时,金属结构受到垂直方向的冲击作用,使结构重量发生变化,通常用起升冲击系数乘以自重载荷来表示: 0.9 -11.1;

动载系数。

当起升机构做变速升降运动时,金属结构将产生振动,起升载荷静力值增大,增大后值用动载系数×纯静力值表示,动载系数可由理论和试验研究获得,与起升速度、操作情况、结构质量和刚度、起升质量和钢丝绳的弹性都有关系确定起来十分麻烦。通常按起升物品离地时的工况根据动态理论分析得物品悬挂点动载系数2,2==1+cv+。

V为额定起升速度(m/s);C为操作系数,出铝起升取0.25,零星吊运和阳极提升取0.5,抓斗捞渣取0.75;G为重力加速度;为物品离地时起升载荷对结构的物品悬挂点和起升钢丝绳滑轮组产生的静位移之和,0=0+0。对于出铝车,0近似按公式0=(～)L,L为大车跨度;d为金属结构计算点动位移;为结构质量影响系数。

对于多功能机组出铝车,离地起升比下降制动2要大一些,突然离地和点动升降2值更大,出铝车和固定电葫芦一般用简化式2=1+0.7计算,一般不大于1.4。

突然卸载冲击系数3。

突然卸载冲击系数小于1,用下面公式计算:

3=1-(1+3)。

m为突然卸掉的质量;m2为起升质量;3为卸载系数。

运行冲击系数4。

机组沿车间轨道运行时,由于轨道接头的影响对结构产生垂直方向的冲击作用。冲击力用4×自重载荷来计算,4=1.1+0.058。

式中,V为运行速度;H为轨道接头高度差;机组大车运行速度0～1 m/s;工具小车运行速度0～0.5 m/s;出铝小车运行速度0～0.5 m/s。通常的工况下运行速度都小于1,4根据经验取1即可满足。

4惯性载荷

机组的惯性载荷主要由大车运行,小车运行和工具小车回转产生水平惯性力PH,运行制动产生的的水平惯性力PH=1.5Ma,M和a根据不同工况来确定。

例如,当求出铝小车水平惯性力时,大车不动,工具小车不动,单出铝车吊着铝包水平运行。

M为出铝车总重加上铝水和包的重量;a为出铝小车水平运行平均加速度。

当求大车水平运行时机组水平惯性力时,M 为机组总重,a为机组水平运行平均加速度。水平惯性力不得大于滑动摩擦力即PHPZ。

PZ为轮子静轮压之和;为滑动摩擦系数。

工具小车回转采用的沿回转轨道运行,产生水平惯性力PH也可用上式计算。

5侧向力载荷

机组运行过程中,由于轨道不直、跨度不准、车轮安装不正以及两边运行阻力不同等原因,使一侧车轮超前,造成偏斜运行,形成作用于水平轮的侧向力P5,在桥架水平面内形成力偶P5B0(图1),并与超前牵引力力偶PWL相平衡。

P5=P

式中,P为发生侧向力一端的端梁上与有效;轴距有关的相应车轮静压之和;为侧向力系数,按L/B0的值取;L为机组跨度;B0为有效轴距等于水平导向轮的间距。

6碰撞载荷

机组在刹车失灵状况下,缓冲器碰撞产生碰撞载荷Pa。

碰撞动能:E=mjp2;

缓冲器做功:W=Pas。

式中,mj为碰撞计算质量,看工况来定机组空载时为机组总重。出铝小车负载时,等于机组总重加上负载的计算质量m 。因出铝小车出铝行程全部在垂直导向架行程内,起升质量影响系数=1;m为起升质量;p为碰撞时的实际碰撞速度;S为碰撞制动距离;为碰撞系数,根据缓冲器类型而定,选用弹簧、橡胶缓冲器时=0.5;选用液压缓冲器时=1.0。

根据能量守恒原理E=W,则=Pamjp2。

7结语

计算机组合金属结构时,应根据不同的工况对各种载荷进行合理的组合。结构强度和疲劳强度计算时只需将基本载荷组合即可;结构的强度、刚度和稳定性计算需同时考虑基本载荷和附加载荷;验算机组抗倾覆稳定性时,必须计算特殊载荷。设计机组时根据用户提供的条件合理组合载荷,既保证机组的安全性,又要兼顾经济和适用性。

参考文献:

金属和金属材料复习课教学设计 篇4

一、教学目标

1.了解金属的物理性质，认识金属材料在生产、生活和社会发展中的重要作用；掌握金属的一些重要化学性质。

2.通过比较学习，帮助学生形成获取信息和处理信息的能力，并构建出与金属材料相关联的知识体系。

3.激励学生的合作参与意识,在探究活动中增进合作、增进友谊。并使学生体会到化学学科不是孤立的，它影响到方方面面,我们的生产生活离不开化学。

二、教学要点 1.金属的化学性质

2.有关金属活动性顺序的解题思路

三、教学过程

师：同学们，前面我们学习了金属和金属材料，这部分内容与我们的生产、生活有密切的关系。现在我们一起对这部分知识进行回顾和总结。

首先请同学们独立完成学案上的“自我诊断”。

生：参照“自我诊断”，测评自己对复习目标的达成度。对于出现的疑问，采取看书或小组内交流的形式解决。

(设计意图：使学生通过回顾教材内容，从知识、技能、方法等方面搞好自我排查，发现自己的不足与存在的问题)师（出示一根铁丝和铜丝）：你能区别开铁丝和铜丝吗？你是利用了它们的什么性质把它们区别开的？

生：小组内讨论、交流，在此基础上选派代表发言。

（设计意图：通过发散性思维训练，培养学生综合分析问题和解决问题问题的能力。）师（提出问题）：相同质量的金属镁和锌分别跟足量的稀硫酸充分反应，你能用图象表示该反应的情况吗（横坐标表示的是稀硫酸的质量，纵坐标表示的是氢气的质量）？

生：在小组内合作交流的基础上完成任务，并将结论填写在学案上。

师（实物投影学生完成的任务）：引导学生总结曲线的斜率和高度分别是由什么决定的。（设计意图：通过进行学法指导，使学生意识到及时总结解题规律的重要性。）师：通过刚才的系统复习，请同学们尝试总结本单元的知识网络，并将其写在学案上。生：在小组内合作交流的基础上完成任务，小组选代表到黑板前展示本组完成的知识网络，并且提出自己的疑问和困惑，其他学生答疑、补充、评价。

（设计意图：解决各组的疑难问题，生成完整的知识网络，培养学生的展示交流与思辨能力。）

师：请同学们打开学案，完成“知能应用”中的内容。

生：自主解答后组内交流（或者班内展示），解决做题过程中遇到的疑难问题。（设计意图：使所学知识得以强化，特别是解决生活、社会中遇到的有关问题，做到“从化学走向社会”。在这个过程中，教师要注意引导学生总结解题方法和思路及涉及的知识点，并进一步提升为这一类问题的解题方法和思路。）

师：发放达标测试题，实施达标测试。

生：学生小组内交流、讨论，并将小组内不能解决的问题拿到全班同学面前进行讨论、解决。并根据各自的课堂表现，对自己从知识与技能掌握、学习方法运用、复习效率等方面进行评价，找出优缺点，有利于改进今后的复习。

金属功能材料 篇5

课时安排：1课时

教学目标 ：1、知道一些常见的金属矿物，了解从铁矿石中将铁还原出来的方法。

2、会根据化学方程式进行含杂质的计算。

3、了解金属锈蚀的条件和防锈的方法。

4、认识到保护金属资源的重要性。

重点、难点：1、了解从铁矿石中将铁还原出来的方法。

2、会根据化学方程式进行含杂质的计算。。

教学方法：实验、讨论。

教学过程 ：

引入新课：

我们大量使用的金属是从哪里来的呢？

除少数不活泼的金属以单质形式存在外，大多数金属在自然界中都以化合物形式存在，从化合态的金属制出金属单质就是金属的冶炼。

板书：一、铁的冶炼：

教师演示：一氧化碳还原氧化铁

学生观察：现象是红色粉末变黑，澄清石灰水变浑浊。

板书：炼铁的原理，化学方程式。

讲解：实际生产中，所用的原料和产物一般都有杂质，在计算用料和产量时，应考虑到杂质问题。

板书讲解：

例题：用1000t含铁80％的赤铁矿石，理论上可以炼出含铁96％的生铁多少吨？

说明：重点让学生理解纯净物与含杂质物质间的转化计算，并注意规范的解题格式。

讲解过度：一方面，我们不断地冶炼金属，另一方面，世界上每年因腐蚀而报废的金属设备和材料相当于年产量的20％-40％！如何保护金属资源呢？

一、金属资源的保护：

1、金属的腐蚀与防护：

活动与探究：铁锈蚀的条件

探究方法：详见书P19。

探究结果：铁锈蚀的条件是：铁与空气中的氧气和水蒸气等发生的化学反应过程。

结果应用：防止铁锈蚀的`做法：

1、            保持铁制品表面清洁干燥

2、            在铁制品表面涂保护层。

2、金属资源保护：

途径一，防止金属的腐蚀；

途径二，金属的回收和利用；

途径三，有计划合理地开采；

途径四，寻找金属代用品。

课堂小结：本节课的重点和难点有：会根据化学方程式进行含杂质的计算，了解金属的和防护办法。

金属带材多功能自动焊接设备设计 篇6

关键词：金属带材,多功能,自动焊接,焊接设备

1 引言

据统计, 2009年我国的钢产量已达到5.3亿t, 是全世界钢材消耗量最大的国家[1]。钢铁产品中大约有三分之一需要经过焊接加工才能成为有一定功能的产品, 焊接结构具有质量轻、成本低、性能稳定、生产周期短、效率高等优点, 其应用日益广泛。近年来, 国内企业对焊接自动化装备的投入较大, 但是焊接自动化的使用比例仍较低, 企业现有自动化焊接设备 (含焊接机器人) 占总焊接设备的比列为10%~15%。而国外同行业的先进企业焊接自动化设备占焊接设备的比例为50%以上, 部分已达到90%[2]。本文介绍一种多功能带材自动焊接设备, 能够适应不同的金属带材材质、不同带材宽度的焊接, 并且能够实现带材自动剪切压平以及焊缝平整后拉伸力达到本体材料的拉伸力等特点。

2 设计要求

根据带材的材料、尺寸要求以及实现的功能, 结合生产实际, 对多功能自动焊接设备提出了如下设计要求: (1) 焊接电流2~125A连续可调, 适用于不同材料的带材——碳钢、不锈钢、铝材、铜材的焊接; (2) 焊接设备要能够适用于宽度在10~120mm、厚度在0.2~1.5mm的不同宽度和厚度的带材焊接; (3) 人工安装固定焊接带材后, 要求设备能够实现带材的自动剪切、对中、压平, 工人操作简单; (4) 焊缝平整美观, 平整后拉伸力达到本体材料的拉伸力; (5) 良好的人机交互环境, 便于调节焊接参数, 工人操作方便。

3 焊接设备的总体结构

图1所示为多功能自动带材焊接设备总体示意图, 其主要由旋转机构、升降机构、定位机构、焊盒、右送料机构、剪切机构和左送料机构等7部分组成。通过参数调节可以适应厚度为0.2~1.5mm, 宽度为10~120mm的碳钢、不锈钢、铝材以及铜材的带材的焊接。

1.旋转机构2.升降机构3.定位机构4.焊盒5.右送料机构6.剪切机构7.左送料机构

4 焊接设备各机构

4.1 旋转机构

旋转机构主要由旋转气缸、齿轮及支架组成, 当带材剪切、拼缝位置对准后, 旋转气缸工作, 带动齿轮转动, 从而带动升降机构上的齿轮转动, 最终实现焊盒转动到焊接位置;同样, 焊接结束后, 旋转气缸工作带动齿轮转动, 使焊盒回到原位。

4.2 升降机构

升降机构主要由双作用气缸、电机、传动轴以及与旋转机构相啮合的齿轮组成, 实现焊盒的上下运动。在旋转机构的带动下, 焊盒旋转到焊接位置, 在气缸上侧进气, 焊盒向下运动将带材压住;焊接结束后, 气缸的下侧进气, 焊盒抬起。此外, 电动机的旋转运动通过传动轴传递到焊盒内同步带轮的旋转运动, 最终实现引弧组件的直线移动。如图2所示为旋转机构与升降机构。

4.3 定位机构

根据设备要求为适应0.2~1.5mm的不同厚度带材的焊接, 设计了一种自动定位机构。操作人员在控制面板中输入带材厚度, 该机构中的电动机带动螺杆转动, 可实现滑块、连杆、基座的移动, 从而适应不同厚度带材的焊接。

4.4 焊盒

本焊盒焊接方式采用氩弧焊, 操作人员调解相关参数可适应碳钢、不锈钢、铝材以及铜材的焊接。本焊盒内引弧机构由一同步带传动实现焊缝方向的移动, 以满足不同带材的焊接需求。此外, 在焊接过程中压脚对带材的压紧力由弹簧提供。

4.5 左、右送料机构

左、右送料机构的主要功能为:将左、右两侧的待焊接带材压紧, 待剪切机构完成对带材的剪切后, 在送料气缸的作用下, 左送料机构带动带材向右移动3.5mm, 右送料机构带动带材向左移动17.5mm, 将两侧的带材移动至焊接位置, 对好焊缝。如图3所示为左送料机构, 主要由夹紧气缸、送料气缸面板、压块、滑动条等组成, 可以适应厚度为0.2~1.5mm、宽度为10~120mm的带材。

4.6 剪切机构

在焊接中, 为了实现焊缝的整齐美观, 在焊接前首先要对带材修剪, 保证带材能够整齐对拼, 在此设备中设计了如图4所示的剪切机构。当左、右送料机构将板材送到带剪切位置后, 在液压缸的作用下, 左、右剪刀向下运动, 完成对两侧板料的剪切, 剪切完成后, 在左右送料机构的作用下, 板料对好焊缝, 同时液压缸反向作用, 压块与焊盒共同作用将板料压平, 最后完成焊接。

5 结论

本文针对实际中带材焊接问题, 设计了一种多功能自动焊接设备, 该设备综合运用了机电液一体化技术。通过本设计能够实现一次装夹的剪切、对缝、焊接及平整的多工位自动焊接, 操作工人完成带材装夹后, 仅需通过操作屏的简单操作即可完成整套焊接工作。生产实践表明, 该多功能自动带材焊接设备操作简单, 自动化程度高, 能够适应不同带材的焊接, 焊接质量高, 具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]黄政艳.焊接设备技术现状及发展趋势[J].广西轻工业, 2011 (5) :21-23.

非金属材料在油田的应用 篇7

【关键词】非金属材料；耐腐蚀；连续性

前言

管道与输送介质相对流动，这就要求管道内部尽可能光滑，减少磨阻；另外考虑介质的腐蚀性。随着油田后期的开发与建设，埋地金属管道腐蚀日趋严重。根据调查统计，大庆油田萨北开发区自投产至今，已建成各类埋地金属管道4150Km，其中超过十年使用年限的有1970Km，占埋地管道总数的47.5%，存在腐蚀程度比较严重的管道有1100Km，占埋地管道总数的26.5%。为了解决埋地管道的腐蚀问题，非金属管道开始广泛应用，先后在注水、污水、输气以及聚合物母液输送上得到应用。

如今在油气集输管道选材上主要应用的非金属材料有玻璃钢管及塑料复合管。现对两种材质做如下对比：

一、玻璃钢管线的性能分析

1.1玻璃钢管道是由玻璃纤维、不饱和树脂固化而成的，与金属管道相比，具有以下优点：

（1）耐蚀性能优异，对水质无影响。玻璃钢管道能抵抗酸、碱、盐、海水、未经处理的污水、腐蚀性土壤或地下水及众多化学流体的侵蚀。比传统管材的使用寿命长，其设计使用寿命一般在50年以上。（2）内壁光滑，水力摩擦阻力小，能显著减少沿程的流体压力损失提高输送能力。因此，可带来显著的经济效益，具体体现在：

①在输送能力相同时工程可选用内径较小的玻璃管道，从而降低一次性的工程投入。

②采用同等内径的管道，玻璃钢管道可比其他材质管道减少压头损失，节省泵送费用。

③可缩短泵送时间，减少长期运行费用。

（3）导热系数低，保温性能好，耐热性、抗冻性好。在一30℃状态下，仍具有良好的韧性和极高的强度，可在一50℃-80℃的范围内长期使用。

（4）自重轻、强度高、运输安装方便。采用纤维缠绕生严的夹砂玻璃钢管道，其比重在1.65-2.0，只有钢的1/4，但玻璃钢管的环向拉伸强度为180-300MPa轴向拉伸强度为60-15OMPa，近似合金钢。因此，其比强度（强度/比重），是合金钢的2一3倍。它的承插连接方式，安装快捷简便，同时降低了吊装费用，提高了安装速度。

（5）用于聚合物母液输送管道，对聚合物母液粘度无降解作用。

1.2玻璃钢管线在施工过程中暴漏了诸多问题：

（1）低压玻璃钢管道强度低，抗冲击能力差，易破损。在施工作业过程中极易被机械碰漏，一旦碰漏维修的难度及成本很高。

（2）材质脆性大，施工要求条件高。在玻璃钢管道施工过程中，要求底部必须铺有200mm厚的细土来垫平、铺实，不能出现悬空段，同时回填土也要求粒度小于50mm，不能夹杂石块或砖头等。对施工造成难度，机械化降低，效率降低。

（3）在施工或维修时，粘接条件环境温度必须在6℃以上进行，同時固化时间一般需要4h以上，冬季施工或维修时，质量很难保证。

二、连续增强塑料复合管的性能分析

连续增强塑料复合管是一种以钢丝编织增强的塑料管材，大部分是三层结构，内层是耐腐蚀、耐磨损的聚乙烯管，中层是增强的缠绕层（缠绕的材料有高强度合成纤维，玻璃纤维，碳纤维和细金属丝多种），外层塑料管保护管子不受外界损害。热绝缘层加到管子外侧，起到保温作用。

2.1技术特性

（1）使用温度范围宽，在规定的长期连续工作压力下，使用温度为-40—90℃。

（2）耐腐蚀、不结垢，特别是在输送含油污水等杂质较多的液体时，可免除管道腐蚀、结垢堵塞之忧。

（3）保温节能，导热系数约为金属管的二百分之一，在冬季气温较低地区，用于输油、输水管道保温节能效果明显。

（4）连续性，免去大量焊接作业并减少因连接不佳造成的管道渗漏，减少施工费用。

（5）使用寿命长，维护费用低，在规定的温度和压力条件下，使用寿命可达50年以上。由于管线的耐腐蚀性较好，因此工程不需要进行防锈、防污、绝缘、保温等措施和检修。对地埋管无需作阻极保护，可节约工程维护费用70%以上。

（6）施工便捷，铺设速度快。该管材最突出的优点是柔韧性好，可盘卷供应。可以免除大量的连接工作，灵活适应地形，实现非常迅速和经济的铺设并很容易拆迁移地再应用。穿越比金属管方便，特别是大庆地区地下管线繁多比金属管有明显的优势。

（7）管道可加热，发生凝管时，管道可通电加热解堵，不影响管道使用寿命。

（8）工程综合效益好。综合效益是指由建设投资、安装维修费用、使用寿命、节能节钢等多种因素形成的长期性效益。连续增强塑料复合管的综合效益是可取的。特别是管径越大，其成本越低。当进一步考虑埋入地下的管道可使用好几代，又无需年年检修，更可以发挥它优越的综合效益。

2.2主要性能指标：

（1）使用压力MPa≤16

（2）管道内壁相对当量粗糙度△/mm0.0015～0.015

（3）使用温度℃-40-90

（4）使用寿命Year≥50

（5）可电加热温度范围℃40-65

（6）保温层初始导热系数W/m.K0.028

（7）连续长度Meter（米）200-1200

在不符合安全距离的油气水管道改造工程施工过程中，连续增强塑料复合管的应用，不但解决了钢制管道的质量重，运输施工困难，焊接量大有安全隐患，易腐蚀等缺点，还解决了玻璃钢管线易破损、脆性大，冬季施工困难的难题。

连续增强塑料复合管除了性能优越外，施工也极其方便。其质量轻，能盘绕，在拉运时相对其他管材更容易。铺设过程中能弯曲，方便穿越。而且其连续长度达到200-1200米。减少了焊接的工作量，节约了成本。脆性小，不易损坏，对施工的精度要求不高。其连接方式为机械压紧方式。连接时把管头插入一个金属管件的插口端，用机械方法把管件插口端压紧成为可以保证密封并承受轴向负载的接头。可以与金属管道进行焊接，不受温度影响。但注意的是在截管时应采用钢锯，不能用砂轮机、电气焊等方法，避免切割过程中温度过高引起材料的损坏。对此必须做好技术交底，加强技术培训，特别是切管和扣压接头的技术。

然而，连续增强塑料复合管在使用过程中，也暴露出许多问题。由于它的输送介质温度不能超过90℃，系统工作压力小于16MPa，只适应压力比较低的污水、输气等管道，不适用埋设较深、压力较高的注水管道。所以应用范围还有一定的局限性，还缺少相应的、完善的技术规范。