椰子壳是否可以作为复合型材料使用？棕榈壳与它的原理是否相通？

文|史这样滴

编辑|史这样滴

简介

现代技术（航空航天、航空、海军等）越来越需要严格的机械特性，随着复合材料的出现，出现了新的视角，其使用领域不断扩大以满足一定数量的标准，即：轻巧、刚性大、易于实施等。

增强复合材料是复合材料类的一个子组，复合材料类是四种工程材料类（金属，聚合物，陶瓷和复合材料）之一。

复合材料被定义为由两种或多种成分组成的多相材料，具有不同的边界和不同的特性，组合在一起以优化一种或多种特定特性。

增强复合材料由嵌入连续基体相中的增强相组成，基体将钢筋固定到位，通过剪切粘附力在钢筋构件之间传递和分配荷载，并保护钢筋免受外部环境条件的影响。

混合复合材料由两种或几种类型的增强材料组成，混合复合材料的一般用途因其增强的机械性能，热稳定性和耐久性而增加。

还考虑使用回收填料作为来自可再生能源的增强材料，目的是生产替代材料，以解决与传统增强聚合物复合材料的低可持续性相关的问题。

混合复合材料可以同时生产出高水平的电阻，模量和损伤容限，杂化已被探索为生产更具成本效益的复合材料的一种方式。

该领域的最新工作研究了包含两种类型，更便宜和效率较低的加固的混合动力车，通过使用杂交，已经确定了12%-17%的潜在节省，杂化复合材料表现出更好的冲击强度和其他机械性能。

与传统材料相比，局部杂化复合材料（纤维和/或颗粒）是许多用户渴望的对象，在喀麦隆和中非，人们注意到椰子树和油棕占据了大片开采区域。

然而尽管坚果非常坚硬，但食用坚果后产生的外壳被人们低估了，文献提到了椰子壳强化复合材料的研究。

材料的尺寸稳定性会受到尺寸因素的变化，包括长度、厚度和宽度，因为它们暴露在不同的条件和环境，如湿度和干燥和潮湿条件。

这对于确定混合复合材料的保质期、应用和最终产品非常重要，为此进行了不同的表征来研究尺寸稳定性，例如厚度膨胀，吸水率，密度以及风化和循环测试。

该复合材料具有由相同粒径，椰子和棕榈坚果壳的电荷增强的聚酯基体，相同尺寸的颗粒可以有利于开发具有最佳性能的均质样品，因为孔隙率将低于用不同尺寸颗粒增强的样品。

材料

水果采摘在喀麦隆沿海地区的埃迪亚市进行，多亏了一把砍刀，我们才能将椰子树和它的果实分开。

破碎是使用质量粉碎船体进行的，使用碎纸机压碎贝壳，颗粒的分离（筛分）使我们能够获得粒度为0.63 mm，1.25 mm，2.5 mm的颗粒，干燥会排出颗粒中的水分，它是使用校准的筛子进行的。

棕榈仁壳经历了与椰子壳相同的转化阶段（破碎、研磨、分离和干燥），它们使我们能够像以前一样获得粒径为 0.63 毫米、1.25 毫米、2.5 毫米的颗粒。

聚酯是合成热固性聚合物，通过促进剂和催化剂的组合硬化，为了表征混合复合材料，有必要对其进行成型并将其加工成标准化尺寸。

在此过程结束时，我们获得了具有以下标准化尺寸的试件：150 * 15 * 7（根据标准BSI 2782）用于三点弯曲测试，55 * 7.5 * 10（根据标准EN 10045）用于弹性测试。

为了确定湿度，我们称量不同的样品并记录质量，然后将不同的样品放入微波炉中，将时钟设置为15分钟，工作温度设置为50°C。

取出样品后，再次称量，并读取质量，重复此过程，直到质量的样本不再变化。

获得棕榈坚果颗粒的一些步骤。（a） 棕榈壳 （b） 棕榈仁覆盖机 （c） 筛分压碎的棕榈壳。

结果和讨论

让我们考虑Px/Cy样本的演变，P和C分别是棕榈仁和椰子壳，x和y分别表示它们的电荷率。

利用与密度演变相关的数据，可以注意到，实际密度对于样品P20/C10（对于所有粒度测定）和样品P20/C20 1.25 mm晶粒尺寸很重要。

峰值（1340.518公斤/米）3）的晶粒尺寸为20.10毫米的P1/C25样品达到，无论粒径值如何，P10/C10 样品都是最稳定的。

对于该样品，复合材料的密度不会随颗粒大小而变化，最轻的试样是晶粒尺寸为 20.20 mm 的 P0/C63：对于我们想要减小尺寸的应用来说，它是最佳选择，对于粒径为1.25 mm的样品，密度更高。

在吸水率的演变中，我们看到0%负载样品不吸水：这是由于聚酯是一种不透水的材料。

当强化率等于 40% （%x + %y） 时，即样品 P10/C30、P20/C20、P30/C10 的吸水率最大。对于相同的增强材料，1.25 mm晶粒尺寸样品（P10/C30为峰值）比不同粒度样品吸收更多的水分。

当电荷率低（27%）时，吸收率较低，因此用填料增强的P0/C671样品的吸收率最小值（10.0%），晶粒尺寸为 63.1 毫米，粒径负载为 25<> mm 的样品，比不同粒径的样品吸收更多的水分。

面对吸水测试时，椰子和棕榈仁电荷在复合材料中的行为，为了通过交换增强率来检查复合材料的行为是否相同，因此对于样品P10/C20和P20/C10。

可以看出，当复合材料加载10%棕榈仁负载和20%椰子负载时， 除20.10毫米载荷外，其吸收率高于在1%棕榈仁壳和25%椰子壳下装载的样品。

因此，粒子在复合材料中的行为方式不同，此外我们注意到，为了加固 30% 的负载，最好加载 20% 的棕榈仁和 10% 的椰子，除非粒度为 1.25 毫米，知道该材料有缺陷以至于可以吸水，因此不建议使用晶粒尺寸为 20.10 mm 的 P1/C25 配方。

通过分析样品P10/C30和P30/C10（晶粒尺寸为0.63 mm和1.25 mm）的行为，以检查通过交换配胶速率，复合材料在面对水面时的行为是否相同。

物理测试结果：（a） 不同粒径的实际密度随电荷速率的演变;（b） 复合材料的吸水率;（c） 湿度率随负荷率和晶粒尺寸的演变。

在这种情况下，我们发现粒径为1.25毫米的颗粒的吸收率更高，这表明吸收率是粒径的函数。

另一方面，当我们交换复合材料中的增强材料时，我们发现P10/C30样品的吸收率（晶粒尺寸在0.63 mm和1.25 mm之间）高于P30/C10样品。

吸水率还取决于增强填料的性质及其含量，在吸收率对材料选择具有决定性作用的应用中，不建议使用这些高吸水率的配方。

总之该分析表明，吸收率是电荷率、电荷的性质以及复合材料中每个输入的内容的函数。

至于湿度率我们注意到大颗粒（1.25毫米和2.5毫米）的湿度率通常很高，这种现象可以通过以下事实来解释：它们的大尺寸可防止在干燥过程中嵌入在生物聚合物的大分子链之间的水分排出。

湿度水平对于 2.5 mm 粒径 P10/C30 样品具有最高值，当钢筋较弱时，湿度率变化很小（例如P10/C10），聚酯基体是一种对水分不敏感的材料，这一事实证明了这一点。

矛盾的是，含水率最低的P20/C20样品不仅含量高，而且颗粒粒径高，这个案例无疑代表了这项研究的一个奇点。

在晶粒尺寸最低的配方中，水分含量最低，建议用于大多数机械工程应用，当椰子负荷多于棕榈仁负荷（P10/C20和P10/C30）时，湿度随粒径的增加而增加。

否则湿度速率的演变具有抛物线的形状，其极值位于1.25 mm晶粒尺寸样品的顶部，这表明，与棕榈仁电荷相比，椰子电荷的丰度维持了湿度率演变的单调性演变。

与不同粒径之间的差异较大的P10/C20配方相比，P20/C10配方的湿度率（根据不同的粒径）变化很小。

总之，从这项研究中可以看出，当椰子负荷率高于棕榈仁负荷率时，湿度率的演变随粒径分布而增加，否则，湿度的演变是抛物线，极值位于1.25 mm粒径样品上。

根据10点弯曲（MOE）纵向弹性模块，分别研究了棕榈仁壳和椰子壳在复合材料中的行为，看来根据 %P = 10% 的 MOE 演变

机械测试结果：（a） %P = 10%时MOE演变;（b） %C = 10%时，教育部的演变;（c） 弹性随颗粒大小和装药强化速率的演变。

这些结果表明，对于固定棕榈仁的电荷速率，MOE的演变是电荷速率和粒度分布的函数。此外，每种配方的演变都有规律性，无论是作为粒度的函数还是作为椰子充电速率的函数。

根据 %C = 10% 时 MOE 的演变，我们观察到：当增强为P20/C10时，各粒径的MOEs最大，得到晶粒尺寸20.10 mm的加载P0/C63的最佳值。

对于P20/C10负载，当粒径增加时，MOE降低，MOE随粒径的演变在所有配方中都不相同（抛物线在P10/C10处，单调在P20/C10处），对于每个粒径，MOE作为棕榈仁电荷速率的函数的演变是抛物线（凸）。

然而观察到这两种发展之间的相似之处，事实上，当配筋等于30%（%x + %y）时，每种粒径的MOEs最大，通过固定其中一个船体的粒径和电荷速率，我们注意到MOE的演变是抛物线（凸的）。

还观察到两种演变的分歧，对于%P = 10%，可获得粒径为2.5 mm的峰，而对于%C = 10%，则获得0.63 mm粒径的峰。

另一方面，与第一次演化不同，对于30%的增强（P10 / C20），演化是随机的，而在第二次演化（P20 / C10）中，当粒径增加时，MOE会降低。

对于小粒径（0.63毫米）的载荷，弹性最高，从而验证了霍尔-佩奇关系，该关系总结了强度与粒径成反比，颗粒的细化创造了更多的晶界，提供了足够的能力来抵抗施加的应力。

对于每种粒径，P10/C10配方的回弹性最高，晶粒尺寸为10.10 mm的P0/C63样品的回弹性达到峰值，这一结果表明，该材料在轻载时具有很强的抗冲击性。

结论

本文的目的是开发和表征具有两个相同尺寸颗粒的混合复合材料，用于制造这种材料的基体是聚酯，通常用于生产混合复合材料。

力学分析通过3点屈曲试验确定MOE弹性模量，通过弹性试验获得断裂能量，验证了霍尔-佩奇定律的原理。

当颗粒具有大粒径时湿度非常高，加固率高时试件吸水率高，仅P20/C10样品的密度被夸大，最低电荷率P10/C10和最小粒径（0.63 mm）的回弹性较高，当配钢率等于30%时，弹性模量MOE最高。

比较MOE研究发现，杂交复合材料中棕榈仁壳的行为与椰子壳不同。这种观察使得获得精确的组合和配方成为可能，这对于特定应用可能是决定性的和有利可图的。

参考文献：
Ogin，S.L.（2000）纺织增强复合材料。在：Horrocks，A.R.和Anand，S.C.，编辑，技术纺织品手册，Woodhead Publishing Limited，伦敦，264-279
http://www.woodhead-publishing.com
https://doi.org/10.1533/9781855738966.264
Kaw，A.（2005）复合材料力学。泰勒和弗朗西斯集团，纽约
https://doi.org/10.1201/9781420058291
彼得斯，S.T.（1982）复合材料手册。查普曼和霍尔，山景城
https://fr.scribd.com/doc/114894789/Hb-Composites-2-Ed

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