工程尺度缓冲材料热-水-力多场耦合数值模拟研究

缓冲材料作为填充在废物罐与地质体之间重要的人工屏障,对高放废物处置库的长期安全至关重要。以工程尺度缓冲材料热-水-力多场耦合大型模型试验系统(China-Mock-up)为研究对象,采用有限元数值模拟软件LAGAMINE,考虑试验过程中复杂的边界条件与材料属性,实现了近5 a试验数据的定量模拟。模拟结果可准确预测试验系统内部不同特征点温度随室温周期性波动及线性增长这一动态变化规律;能够较好反映不同特征点相对湿度随时间的行为演化趋势,在加热器附近区域呈现出先干燥后饱和的现象,远离加热器区域则逐渐增大;模拟的总应力与实测试验数据间表现较好地一致性,能够反映试验台架内部不同特征点的总应力随时间逐渐增大这一演化过程。揭示了多场耦合条件下缓冲材料(膨润土)温度、湿度及应力的相互作用关系,为深入认识处置库环境下缓冲材料行为演化特征提供了重要的参考依据。

碱-热条件下膨润土缓冲材料导热系数演化及微观特征

碱-热条件下膨润土缓冲层材料的导热性能是核废物深地质处置库设计的一个关键因素。对MX80膨润土粉末进行不同碱-热工况预处理,采用热针法探讨碱-热条件下膨润土缓冲材料导热系数的演化规律;选取代表试样分别进行X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、压汞(MIP)和热重分析(TGA)等试验,揭示出碱-热作用对膨润土试样矿物成分、微观形貌、孔隙结构和结合水形态等演化特征的影响机制,阐释碱-热条件下膨润土缓冲材料导热系数演化的微观机理。试验结果表明:碱-热条件下,膨润土试样的导热系数λ随碱液p H值的递增而减小,随环境温度T的升高而增大,在高碱性溶液(pH=13.0~14.0)和高温环境(T=60℃~90℃)中这一特性表现得尤为显著;根本原因在于试样中原有矿物成分在碱液作用下发生不同程度的溶蚀现象,表现为蒙脱石和石英含量的减少、方沸石含量的增加,导致试样中固体成分减少、孔隙率增加、表观干密度减小、吸水性能变弱,而环境温度在该过程中起到良好的促进作用。

高放废物处置缓冲材料砌块养护方法研究

在高放废物地质处置库中,作为阻滞核素迁移的关键环节,缓冲材料通常以高压实砌块形式放置于废物罐周围。为了保证砌块的工程性能,缓冲材料砌块在制备、储存、运输和安装等各阶段均应进行环境湿度控制,以减少环境湿度对砌块性能的劣化影响。以高庙子膨润土压实试样为研究对象,开展了裸样、覆膜、覆膜+密封等不同包装方式,在0~100%相对湿度环境下的长期养护性能测试。试验结果表明:针对含水率介于13%~15%之间的膨润土压实试样,当环境湿度在80%~92%养护时,试样的质量变化均不超过1%;其中在92%的环境湿度下,试样的质量变化不超过0.3%,为最优养护环境。采用覆膜+密封包装方式,可大幅拓宽环境湿度范围,试样在不同相对湿度下的质量变化大幅减少,当相对湿度超过57%后,试样的质量变化比均不超过1%。其中在相对湿度为92%的养护环境下,试样的质量变化比最小,仅为0.032%。研究结果可为解决米级尺度高放废物地质处置缓冲材料大型砌块长期存储这一难题提供基础参数和技术支撑。

物资无伞空投用缓冲材料研究进展

目的为促进无伞空投用缓冲材料的研究和应用,改进和优化无伞空投用缓冲材料性能,为我国物资投送提供更可靠、更高效的保障支撑。方法在无伞空投用缓冲材料研究现状综述的基础上,比较不同材料的缓冲性能特点及适用性。结果随着缓冲材料技术的不断进步,传统缓冲材料结合泡沫金属、智能材料等新型复合缓冲材料,能够有效提高物资着陆安全性与稳定性,降低装备损坏与维修成本,提升抢险救援效率。结论无伞空投用缓冲材料未来发展方向为提高缓冲性能和稳定性,关注绿色环保包装材料、吸能缓冲材料、创新物资包装方式以及集成信息化智能材料,以满足各类物资对无伞空投缓冲材料的需求。

传统缓冲材料与切削型纸质材料缓冲性能对比研究

本文以传统缓冲材料和切削型纸质材料为研究对象,对不同种类的传统缓冲材料和不同尺度、不同形状及不同处理形式的切削型纸质材料的缓冲性能进行实验测试分析,利用MATLAB软件编制程序计算绘制了其应力-应变曲线、缓冲系数-最大应力曲线,将传统缓冲材料与切削型纸质材料的缓冲性能进行了对比分析。分析结果表明,传统缓冲材料缓冲性能良好、质轻,适用于多种缓冲环境;切削型纸质材料缓冲曲线分布在低应力区,适合轻型产品的缓冲包装。本研究对促进切削型纸质缓冲材料的科学应用具有指导作用。

泡沫成形法天丝纤维多孔缓冲材料的制备及其性能研究

本研究介绍了一种泡沫成形技术制备多孔缓冲材料的方法,同时利用聚酯纤维(PET纤维)和苯丙乳液增强天丝纤维缓冲材料,实现力学性能的改善。结果表明,当浆浓为3%,pH值=7,以十二烷基苯磺酸钠(SDBS)为发泡剂,纯天丝缓冲材料采用质量分数3%苯丙乳液增强,缓冲材料弹性模量可从37.30 kPa提升至116.12 kPa。当使用质量分数9%苯丙乳液增强时,控制天丝纤维与PET纤维(细度17 dtex)质量比为1∶1,缓冲材料弹性模量为46.99 kPa,密度为0.030 g/cm^(3),可保证缓冲材料轻质化的同时,提高回弹性。对缓冲材料进行崩解测试发现,纯天丝纤维缓冲材料和天丝纤维/苯丙乳液增强缓冲材料具有一定的可降解性。

基于虚拟仪器测量分析的缓冲材料冲击试验机设计

文章依据GB/T 8167-2008《包装用缓冲材料动态压缩试验方法》的要求,设计开发了基于虚拟仪器测量分析的缓冲材料冲击试验机,旨在对缓冲包装材料进行动态压缩等缓冲性能测试试验。该缓冲材料冲击试验机亦可依据GB/T 8171-2008《使用缓冲包装材料进行的产品机械冲击脆值试验方法》,对计算机硬盘、手机等小型机电产品进行脆值测试,对材料包装行业的发展起到一定的促进作用。

剪切增稠液增强高发泡率废纸缓冲材料的制备及性能

随着经济的快速增长和人们环保意识的不断增强,植物纤维类环保型发泡缓冲材料逐渐成为研究热点。为改善植物纤维发泡材料发泡率低、缓冲吸能效果差等问题,本研究设计半密闭型发泡模具,成功制备了具有高发泡率和优异吸能性的废纸缓冲材料并对制备工艺进行了优化。结果表明:使用质量分数为0.5%的氢氧化钠溶液预处理废纸浆,不仅可以有效去除废纸中的杂质,而且能在不降低纤维长度的情况下对废纸纤维进行适当改性,有利于提高废纸缓冲材料的发泡率和整体性能。以正交优化试验研究原料配比对废纸缓冲材料性能的影响,并据此确定了最优配方。通过设计全新半密闭型发泡模具,成功制备高发泡率的废纸缓冲材料,其膨胀率相较传统制备方式提高了3~4倍。本研究首次引入剪切增稠液(STF)增强废纸纤维,考察了STF含量对废纸缓冲材料力学性能、发泡倍率和回弹性能的影响,分析了STF对废纸缓冲材料的增强机理。结果表明:STF能够提高单根废纸纤维的强度并增强纤维之间的连结,从而提升缓冲材料吸能性,且随着STF含量的增加,材料的吸能性逐渐增强,发泡率逐渐降低,当STF含量为10%(质量分数,下同)时,STF增强废纸缓冲材料的综合性能达到最优。

中国高放废物地质处置缓冲材料大型试验台架和热-水-力-化学耦合性能研究

缓冲材料作为高放废物深地质处置库中一道重要的人工屏障,与高放废物容器和处置库围岩直接接触,在高放废物衰变热、辐射作用和地下水等影响下产生复杂的热-水-力-化学耦合作用,为了验证缓冲材料是否能长期有效地发挥其屏障材料的作用,核工业北京地质研究院利用高庙子钠基膨润土组装并运行了模拟中国高放废物地质处置室1:2尺寸的大型缓冲材料膨润土试验台架(China-Mock-Up)。建立了缓冲材料试验台架的安装和试验方法,依据实测数据和理论分析,揭示了热-水-力-化学耦合作用条件下膨润土中的相对湿度是在加热器的热效应和外部供水的湿效应共同作用下发生变化的,压实膨润土中应力的变化主要是由于膨润土遇水膨胀和加热器的热效应引起的,试验验证了模拟高放废物地质处置室内加热器(废物罐)运行初期的位移过程,为缓冲材料和高放废物地质处置库的设计提供了重要的工程参数和理论依据。

缓冲材料对活性破片战斗部爆炸驱动影响分析

为研究活性破片战斗部爆炸驱动作用行为,采用数值模拟与试验相结合的方法,获得了缓冲层材料及厚度对活性破片战斗部爆炸驱动行为的影响特性.数值模拟结果表明,随着缓冲层厚度的增加,活性破片飞散速度明显降低,4种缓冲材料中,软铝缓冲层对活性破片初速影响最大,且破片初速随缓冲层厚度的增加基本呈线性下降趋势,尼龙和凯夫拉缓冲层对破片初速影响较小;随着缓冲层厚度的增加,活性破片所受载荷明显降低,其中软铝降载荷效果最好,其次为凯夫拉.综合考虑活性破片速度和破片完整性、安定性要求,选择凯夫拉缓冲层较好.最后,通过活性破片战斗部地面静爆试验对数值模拟结果有效性进行了验证,试验结果表明,数值模拟结果与试验结果吻合较好.

施工接缝对缓冲材料水–力特性影响研究进展

在详细阐述处置库中施工接缝封闭和自愈合过程的基础上,全面回顾和总结了有关施工接缝对缓冲材料膨胀力、渗透系数、界面水力强度和自愈合性能影响的研究成果。接缝的存在使缓冲材料的膨胀性能及防渗性能明显弱化,特别是在处置库运行初期,接缝作为力学薄弱区极有可能在高水压环境下发生水力劈裂。总体而言,考虑接缝对缓冲材料水–力特性影响的试验研究还远远不够,主要是通过物理试验,采用整体平均化的方法来分析接缝对缓冲材料总体膨胀力和渗透系数的影响,这种方法的不足在于难以表述接缝处真实的水–力特性指标;现有试验仪器不能实时监测接触界面膨胀力和孔隙水压力的分布情况,无法有效揭示界面的应力传递特征与水分传输特性,这也是导致相关机理分析缺乏的一个重要原因。为此,提出在细化影响因素、深入机理分析及数值模拟等方面开展进一步研究的建议。

缓冲材料热-水-力耦合模型试验研究

高放废物深地质处置采用多重屏障设计体系,缓冲材料是位于废物罐和围岩之间的一道重要的人工屏障。在放射性衰变热、地下水入侵和围岩应力等作用下,缓冲材料经历复杂的热-水-力耦合过程,评价其长期性能对高放废物地质处置库的稳定运行至关重要。缓冲材料模型试验是研究膨润土在多场耦合环境下性能变化的重要途径。中型实验台架是大型实验台架(China-Mock-up)的重要补充,用来模拟与大型实验台架边界相同的环境下,即热量和水分别从缓冲材料的不同侧向另一侧传递和渗透的条件下膨润土的行为特征。通过实时监测缓冲材料在长期加热和加水条件下的温度、相对湿度、力学等特征参数,揭示了在热-水-力耦合条件下缓冲材料的性能变化规律,同时对台架进行了拆解,对拆解样品的含水量、干密度和微观结构等进行了分析测试,研究结果可为高放废物处置库缓冲材料的工程设计提供参数支持。

用废纸制取包装缓冲材料的研究

研究了以废纸为原料 ,以淀粉为粘合剂的发泡包装缓冲材料的制造工艺。淀粉糊化温度为 6 5℃ ,糊化时间 30min ,加入Na2 CO3 作为糊化剂和后来的发泡剂。废纸和淀粉糊混合后 ,先后加入柠檬酸和硼砂 ,分别作为Na2 CO3 的反应剂和淀粉的交联剂。各种物料的质量比 (对淀粉 )为 :废纸:淀粉 :碳酸钠 :柠檬酸 :硼砂 :水为 2 .3∶1.0∶0 .32∶0 .4 5∶0 .1∶10 .0。发泡的适宜工艺条件为 :纸屑纸毛质量比 1∶2 ,发泡温度 130℃ ,发泡时间 7h。所得包装缓冲材料的表观密度为 0 .2 g/cm3 左右 ,压缩强度大于 70 0KPa。

高过载测试中缓冲材料的试验分析

在高过载测试中,缓冲材料的选取直接的影响到缓冲结构的性能,通过对指标缓冲效率的分析,选取了铝及其合金泡沫铝作为缓冲材料,对其在高过载防护方面的一些特性进行了分析.设计了一种高效的缓冲结构并进行了一系列冲击试验.试验研究表明,泡沫铝具有很高的冲击吸收本领,是一种极具潜力的冲击缓冲材料.

高压实缓冲材料热-湿耦合效应研究

以不同含水率的高压实钠基膨润土为对象,在自行研制的装置上开展了热-湿耦合模拟实验。结果表明:缓冲材料内的温度梯度随加热功率的加大而增大,随湿度和密度的加大而减小;缓冲材料中心温度即加热棒表面温度与某一径向点的温差与加热功率之间呈线性关系,各点处的斜率与其径向距离的对数呈线性关系。

EPS缓冲材料的静态压缩性能的试验研究

比较分析了4种厚度EPS缓冲包装材料的压缩变形回复性、外力-位移曲线等性能。结果表明,EPS缓冲材料的回复性、永久变形与材料的厚度有很大关系,而它的外力-位移曲线的走向大致相同,厚度越大吸收的能量越多,缓冲性能越好。

柑橘皮渣/淀粉基可降解复合缓冲材料的制备及性能表征

在淀粉基材中添加不同含量的柑橘皮渣共混挤出,制备可降解复合缓冲包装材料,通过对半径膨胀率、表观密度、压缩强度、扫描电镜、吸湿率和红外光谱性能的分析,对比材料之间存在的结构差异,探索柑橘皮渣含量对复合材料性能的影响。研究表明:柑橘皮渣的添加降低了淀粉基复合材料的表观密度及压缩强度;柑橘皮渣质量分数为30%和50%的试样能较快达到吸湿平衡状态,且吸湿量低于纯淀粉材料;质量分数为30%的试样具有最大的半径膨胀率,并呈现最佳的泡孔状态。

缓冲材料动态压缩试验的虚拟仪器设计

基于虚拟仪器思想,用VC++开发出了材料缓冲特性测试虚拟仪器系统。系统使用搜索技术,能可靠采集显示瞬时冲击信号;使用多种数字滤波技术能有效去除信号中的噪声,采取多种曲线拟合技术以得到各种描述材料缓冲特性的曲线,并以各种方式显示之。采用曲线位图转换存储技术抓取曲线图形,以拷贝到文本文件中;能自动按要求模板生成实验报告;采用文件自动管理技术管理数据文件,提高了它的可操作性。

侵彻过程中弹体内缓冲材料缓冲特性的数值模拟

为了研究战斗部侵彻过程中弹体内缓冲层对冲击应力的缓冲性能,采用动力学计算软件AUTODYN程序对不同材料的缓冲特性进行了数值模拟。结果表明:缓冲层的厚度影响其缓冲效果。厚度为1cm时,缓冲材料的缓冲能力顺序为:尼龙>聚四氟乙烯>铝合金1100>纯铝>有机玻璃>聚氨酯。厚度为3cm时,缓冲能力顺序为:铝合金1100>聚四氟乙烯>尼龙>纯铝>聚氨酯>有机玻璃;缓冲层的缓冲作用主要用于对应力波峰值压力的削弱,最为理想的缓冲材料应对应力波的弥散效应显著。

几种常用缓冲材料的性能研究

通过对泡沫塑料、蜂窝纸板、海绵等8种缓冲材料的冲击振动性能测试,得到各种材料的缓冲系数及其性能曲线,并综合以上数据进行比较分析,为各种材料在缓冲包装中的应用提供理论依据。