泡沫结构（精选10篇）
泡沫结构 篇1
0 引言
由于内部孔隙结构的复杂性,多孔介质内的能量传递过程比常规连续介质复杂得多,因此其热、流和力学性能除与固体骨架和孔隙内流体的物性有关外,还与孔隙结构紧密相关[1]。就多孔介质的导热性能而言,即使忽略其内部的对流及辐射换热而只考虑骨架内的纯导热过程,也难以对导热过程作出精确的数学描述。通常采用基于特征单元体(Representative elementary volume, REV)的研究方法,用容积平均参数(或有效参数)来描述和研究多孔介质的性质,这些性质称为容积性质(Bulk properties),如有效导热系数(Effective thermal conductivity)。
一般将多孔介质的有效导热系数ke表示为固相(骨架)导热系数ks、孔隙相(流体)导热系数kf及孔隙率ε的函数,对于石墨泡沫或金属泡沫这类高导热多孔材料,可忽略孔隙相导热,此时用相对有效导热系数k*=ke/ks,表示为k*=f(ε)[3,4,5]。
王补宣院士[6]指出:对多孔介质的几何参量很难做出严格描述,实际均匀一致的颗粒形状和孔隙分布是不存在的,把多孔介质看成在大尺度上均匀分布的虚拟连续介质,与实际情况存在较大差异。施明恒等[7]根据数值计算结果指出非均质硬质聚氨酯泡沫内部结构影响温度分布和热量传递,其影响程度与孔隙的大小和分布有关。Michailidis等[8]将铝泡沫切片用显微镜获取二维图形,通过重组获得三维随机模型,采用有限元方法分析,结果表明材料的力学性能受到结构随机性的影响。
多孔介质仅用宏观的孔隙率ε不足以描述孔隙结构,其对孔隙分布的随机性描述较少,因此本研究用孔隙均匀度描述孔隙分布的随机性。均质多孔介质每个单元中心有一个孔隙,孔隙分布的随机性体现在部分孔隙在位置上进行了偏移,偏移越大随机性越高。定义孔隙位置偏心因子为控制变量,建立具有随机结构的2D非均质泡沫模型,采用FEM方法进行数值模拟实验,分析有效导热系数与孔隙均匀度的关系,进而研究非均质泡沫介质的孔隙分布均匀性对导热性能的影响。
1 非均质泡沫模型有效导热系数与均匀度的关系
1.1 孔隙均匀度
为了描述孔隙分布的均匀性,定义孔隙均匀度如下:
undefined
式中:ε为泡沫模型整体孔隙率,εi为将泡沫模型等分成n个单元后其中第i个单元的局部孔隙率。
显然,对于均质泡沫模型,由于各单元εi相等,故均匀度U=1。而对于非均质泡沫模型,若某模型的U值较小,则说明该模型的结构随机性较大,即孔隙结构较不均匀;反之,U值大则说明该模型的结构随机性小,即孔隙结构较均匀。
在本研究的数值模拟实验中,均匀度U作为一个表征非均质泡沫的结构随机性的参数,与孔隙率ε一起,用于分析非均质泡沫的结构随机性对有效导热系数的影响。
1.2 有效导热系数与均匀度的关系
对于均质材料,常把有效导热系数看作孔隙率的函数,常用的函数形式[9,10]为:
k*=(1-εn) (2)
式中:n为多孔材料孔隙形状的经验常数,不同材料取不同的值,且n≥1;当n=1时,就成为并联模型[1]。
本研究认为,对于非均质材料,除孔隙率ε外,孔隙结构的均匀度U对有效导热系数也有重要影响,相对有效导热系数可写成关于孔隙率ε和均匀度U的函数:
k*=f (ε,U) (3)
式(3)的微分式可写为:
undefined
根据均质模型(U=1)的分析可知,当泡沫材料的均匀度U一定(即孔隙的空间分布相同)时,孔隙率ε的增大导致相对有效导热系数k*的减小,即:
undefined
当孔隙率ε一定时,孔隙分布越均匀(即U值越大),有效导热系数越大,反之亦然,即:
undefined
本实验研究均匀度U对相对有效导热系数k*的影响。
2 非均质泡沫模型
采用FEM数值模拟的方法研究孔隙结构随机性对有效导热系数的影响,模型的建立需要满足两个条件:首先模型中包含可调节随机性的参数,其次应有一定数量的实验模型样本。
在模拟实验中,引入孔隙位置偏心因子α。调节α,改变孔隙位置,建立非均质模型,计算分析孔隙结构随机性对有效导热系数的影响。
2.1 偏心因子
FEM导热模型的建立如下:在x-y平面上建立20×20的单元,每个单元中心有一个圆孔,用偏心因子α控制孔隙空间位置分布的随机性。随机模型的孔心坐标计算公式为:
x-x0=αRx (7)
y-y0=αRy (8)
式中:(x,y)为随机模型孔心坐标,(x0,y0)是均质模型的孔心坐标,Rx与Ry分别为随机函数,Rx∈(-1, 1),Ry∈(-1, 1)。α是随机模型孔心位置的最大可能偏幅,随机函数使孔隙分别向不同的方向进行偏移。调节α,改变孔隙分布的随机性,并对不同α值的模型的随机程度进行描述。
2.2 随机模型的建模
调节孔径d和偏心因子α,控制模型的孔隙率和随机性,建立非均质模型。几何模型用Matlab和VBA for AutoCAD编程建立,建模算法如下:
(1)在Matlab中产生均质模型的孔心坐标(x0,y0);
(2)取不同值的α,然后按照式(7)、式(8)计算随机模型孔心坐标(x,y);
(3)在AutoCAD中读入400个孔的孔心坐标(x,y)和孔径d,创建一个随机模型,取不同的孔径产生大样本随机模型。
为了方便在计算时施加边界条件,在泡沫模型的左右两端各加一个夹板,图1为网格化后的模型。每个模型的孔隙率、均匀度等结构参数通过Matlab在几何建模中得到。
3 随机模型的导热模拟及结果分析
3.1 控制方程及定解条件
在FEM模拟中,控制方程为常物性、无内热源、稳态导热微分方程:
undefined
边界条件:石墨泡沫为刚性、各向同性的材料,在模型左端面施加第一类边界,右端面施加第二类边界,其余表面为绝热边界(本研究的2D模型中,指夹板边界上的线):
t=t0(右夹板右表面) (10)
undefined(左夹板左表面) (11)
undefined(其余表面) (12)
取t0=293.15K,q0=5×104W/m2,石墨泡沫固相骨架导热系数ks=1700W/(m·K)。模拟计算时忽略孔隙内流体导热的影响,不考虑对流与辐射。用ANSYS进行FEM模拟求解。
计算完成后,按式(13)计算有效导热系数ke:
undefined
式中:t1为计算得到的FEM模型右端面的温度,L为泡沫模型的宽度,δ为一个夹板的厚度。
3.2 模拟结果
为方便模拟计算采用无量纲尺度。取无量纲孔径d=0.9、0.92、0.94、0.96、0.98、1.00,并在每个孔径下分别用α=0、0.1、0.25、0.4、0.5调节孔隙分布的随机性。当d=1.00、α=0时,模型断掉了,不能有效地构成一个整体,无法进行计算,其他模型没有这种情况。
经分析可知,非均质泡沫材料的结构参数(孔隙率ε和均匀度U)受孔径d和偏心因子α的控制。在相同孔径d下,随着偏心因子α的增大,孔隙的随机性增大,孔隙分布也越随机,模型的均匀度U减小。观察不同模型发现U受到a的影响,所以U可以作为反映模型孔隙结构随机性的参数。同时在相同的偏心因子α下,随着d的增大,模型的孔隙率ε增大。
孔隙率ε与偏心因子α的关系如图2所示,可发现孔隙率ε是偏心因子α的单调减函数。由于不同单元的孔隙在α的作用下发生部分合并,导致孔隙所占体积减小,造成泡沫材料孔隙率ε的减小,并且α越大,这种重合现象越明显,孔隙率越小。在α较小时,孔隙率受α的变化较平缓,此时孔隙率由孔径大小控制,当α较大时曲线变化也较平缓。
均匀度U与偏心因子α的关系如图3所示,在相同孔径下,当α越大、孔隙位置随机性越大时,孔隙分布越不均匀,U值也越小,因此U是α的单调减函数。当α确定时,不同孔径d之间的均匀度U相差不大,均匀度受孔径变化的影响较小,可近似认为相等。
相对有效导热系数k*与偏心因子α的关系如图4所示,可以看出当α确定时,随着孔径d的增大,孔隙率增大,有效导热系数减小,这是可以预料的。
从图4可以发现同一孔径下增大偏心因子α,相对有效导热系数先减小后增大,然后又有所减小,说明孔隙率ε和均匀度U同时影响着相对有效导热系数k*。结合图2与图4,当α<0.1时,α对ε的影响较小,而U减小明显,此时U起主导作用,模型k*减小,说明有效导热系数随U的减小而减小;当0.1≤α≤0.4时,k*增大,此时ε的影响大于U的影响;当α>0.4时,ε趋于稳定,U继续减小,U的减小造成k*的减小。
将相对有效导热系数k*与偏心因子α和孔径d的关系转换为有效导热系数与孔隙率ε和均匀度U的关系,如图5所示。
由图5可见,相对有效导热系数k*不是ε的单值函数,ε和U同时影响k*。当U=1即孔隙位置没有发生变化,模型为均质模型,此时的k*分别为各孔径(d=1除外)模型的最大值。对于确定ε的模型,k*随着U的减小而减小,U=1的模型k*为最大值。对于确定孔径的模型,一方面模型随机性越大,体现为U值越小;另一方面随机性的增大也会使孔隙相互吞并导致孔隙率的减小。ε和U同时减小时,k*的变化趋势取决于ε和U中起主导作用的参数。
由图5清楚可见,当孔隙率确定时,随着均匀度的增大,相对有效导热系数增大,即(∂k*/∂U)ε>0, U=1时,k*为上限值;当均匀度确定时,随着孔隙率的增大,相对有效导热系数减小,即(∂k*/∂ε)U<0。随机模型模拟计算结果有效地验证了式(3)-式(6)。
3.3 非均质泡沫有效导热系数的函数形式
图6为随机模型温度分布图,可以看到温度分布梯度与导热方向并不垂直,而且温度分布不均匀。由于孔隙的存在,导致热流路径发生变化,热流路径越曲折,热阻越大。而随机模型孔隙的分布更为复杂,路径变化更复杂,导致热流方向频繁的变化,热阻增大,造成有效导热系数的减小。
均质材料有效导热系数函数式如式(2)所示,对于非均质模型,k*=f (ε,U),k*的函数形式应在式(2)的基础上进行修正,同时满足以下要求:当U值趋于1时,为均质模型函数式;当U值趋于0时,函数值趋于0。
本研究认为用U的幂函数形式进行修正比较合适,函数式如下:
k*=Um(1-ε)n (14)
把所有模型(65个模型,29个样本数据)的计算结果根据式(14)进行拟合,得到的拟合式为:
k*=U1.896(1-ε)2.054 (15)
拟合式的相关系数R2为0.9694,作为随机性实验结果的拟合式,结果较为理想。
4 结论
(1)对非均质泡沫材料而言,孔隙率和均匀度都是孔隙的结构参数,相对有效导热系数k*是孔隙率ε和均匀度U的函数。
(2)当孔隙率确定时,均匀度U值越大材料的相对有效导热系数k*越大,即k*是U的增函数;当均匀度确定时,孔隙率ε越大材料的相对有效导热系数k*越小,即k*是ε的减函数。
(3)非均质模型k*=f (ε,U)的函数形式可写成幂函数形式,k*=Um(1-ε)n,就本研究的模拟而言,m=1.896,n=2.054。
摘要：以石墨泡沫为代表的新型多孔功能材料具有低密度、高孔隙率、高导热性能等优良特性,因而受到广泛关注和研究。多孔材料的有效导热系数与孔隙结构有关,通常用孔隙率作为结构参数,但实际多孔材料的孔隙分布大多是非均匀的、随机的,因此单一的孔隙率不足以描述其孔隙结构。提出一种2D随机结构的多孔泡沫导热模型,根据大样本的有限元法数值模拟结果,指出非均质多孔泡沫的有效导热系数可表示为孔隙率和孔隙均匀度的函数。
关键词：非均质多孔泡沫,有效导热系数,偏心因子,孔隙均匀度
参考文献
[1] Kaviany M.Principles of heat transfer in porous media[M].New York:Springer,1995
[2] Boomsma K,Poulikakos D.On the effective therma conduc-tivity of a three-dimensionally structured fluid-saturatedmetal foam[J].Int J Heat Mass Transfer,2001,44(4):827
[3] Jagjiwanram,Ramvir Singh.Effective thermal conductivityof highly porous two-phase systems[J].Appl ThermalEng,2004,24(17):2727
[4] Ramvir Singh,Kasana H S.Computational aspects of effec-tive thermal conductivity of highly porous metal foams[J].Appl Thermal Eng,2004,24(13):1841
[5] Nidia C Gallego,James W Klett.Carbon foams for thermalmanagement[J].Carbon,2003,41(7):1461
[6]Shi Mingheng(施明恒),Yu Weiping(虞维平),Wang Bu-xuan(王补宣).On the heat and mass transfer in porousmedia(多孔介质传热传质研究的现状和展望)[J].J South-east University(东南大学学报),1994,24(S):24
[7]Li Xiaochuan(李小川),Shi Mingheng(施明恒),ZhangDonghui(张东辉).Analysis of effective thermal conducti-vity for non-uniform porous media(非均质多孔介质有效导热率分析)[J].J Eng Thermophys(工程热物理学报),2004,27(4):644
[8] Michailidis N,Stergioudi F,Omar H,et al.An image-basedreconstruction of the 3Dgeometry of an Al open-cell foamand FEM modeling of the material response[J].Mechan Ma-ter,2010,42(2):142
[9] Druma A M,Alam M K,Druma C.Analysis of thermalconduction in carbon foams[J].Int J Thermal Sci,2004,43(5):689
[10] Klett J,McMillan A D,Gallego N C,et al.The role ofstructure on the thermal properties of graphitic foam[J].JMater Sci,2004,39(11):3659
泡沫结构 篇2
一家B2C网站的人力资源经理一边抱怨着薪资泡沫，一边给记者拿出一份招聘启事。这家公司制定了堪比“海底捞”的人性化用工制度：员工达到工作年限后，可以免费享受公司摄影部提供的结婚摄影套餐；子女上大学享受3000至5000元的入学补助；可以在职和脱岗深造，获得学位可报销25%至90%的学费等等。“没办法，企业现在开始做电商，要挖到人才太难了。”
即使“不差钱”的大公司，烦恼同样不少。对于这些公司而言，稳定的发展前景让他们在吸引人才上更有优势，但真正适合企业发展的电商人才还是可遇而不可求，
苏宁易购(微博)在制定今年300亿元的销售目标后，展开了规模宏大的招聘工作。从市场管理到采销运营、从服务体系到信息技术，一次性提供近40类近千个职位，几乎囊括了互联网企业的全部工作种类。年内预计IT技术人员和中高层管理人员就将达到4500人。公司预计，到团队更是将达到15000人，这里面还不包括数以千计的快递服务、呼叫中心等服务岗位人员。
苏宁易购相关负责人接受记者采访时表示，每年从各大院校走出来的相关专业的应届毕业生数量要高于电商人才的缺口，但他们大多数缺乏实战经验。“刚刚毕业两三年的大学生来面试，张嘴都能开出天价。其实，他们也只懂一些皮毛。”
为此，公司希望能够实现自主培养为主的用人结构。“我们和很多学校合作了电子商务班，合作办学，学生毕业后就可以直接进入公司工作。”
经营泡沫和估值泡沫 篇3
股市的泡沫有两种：经营泡沫和估值泡沫。经营方面的估计水平是最贴近经营实体的，而估值方面的水平则更多反映了投资者的感情与认知。前者是由公司所在行业的疯狂投资和成长支撑的，后者则更多由投资者情绪推动。所谓的“价值投资”通常比较关注估值水平，并且更多的从资产负债表、现金流量表去给公司估值，正统的价值投资者很少去分析判断实体行业的经营状态，更不用说去预测，他们通常认为预测是件不靠谱的事。估值泡沫相对容易辨识，最为简单的就是看PE水平，如果一个有足够多样本的行业，许多公司出现了高PE现象，则可以初步判断出现了估值泡沫。这种泡沫也是经济史上著名泡沫的显著特征，尽管容易识别，投资者却很难理性抽身。受到人类贪婪本性和羊群效应的双重影响，这种泡沫尽管发生了很多次，却注定了永远会不断周期性地上演。
相比之下，经营泡沫则隐蔽得多。我认为通常所说的“趋势投资”其实就是更多关注经营实体状况和趋势（可能也有观点会认为趋势投资就是关注股票走势本身的趋势，也即技术、图表分析流派）。譬如曹仁超，他显然很好地把握了几十年的行业变迁、实体经营状况，巴老和芒格也是更多地关注了企业经营本身（但当然不是不顾估值水平的买入）。我认为如果能把握好这种小到公司、行业经营走向，大到国家、社会发展趋势，那么无论是进行长期投资还是短期投机，都会取得不错的业绩。在这个前提之下，估值相对而言就是次要的了，长期而言，进入时的估值高低只会对长期业绩产生轻微影响。芒格就曾说估值是小儿科的事，大概也就是认为有比估值更重要的。
包括戴维斯在内的许多投资大师，谈到市场是否有泡沫时多是从估值方面去看股票，少有人将这两者区分开。这也无可厚非，因为无论欧美还是国内，在资本市场的历史上这两者通常是伴生关系，尤其是对于市场总体状况而言。即经营水平好的时候，投资者通常也更乐观，愿意给高估值；反之亦然。这就是戴维斯双杀的起源，威力最大的一种情况也就是经营泡沫和估值泡沫同时处于顶峰之后，又同时走向另一个极端的过程；反之则是股市获利最佳的时机，也就是我通常所说的熊市底部买进，牛市顶峰卖出。
两者通常相伴相生，但也并非总是一起发生。上世纪九十年代末的科技网络泡沫主要是由投资者情绪推动的。在泡沫起始之初，电子信息产业在萌芽时确实注定了要给人们的生产生活带来革命性的改变。在2001年纳斯达克达到顶峰时，许多确实有实际业绩的科技网络蓝筹股的市盈率都高达60倍，泡沫发展过程中只有英特尔、思科、微软等极少数塔尖上的公司真正赚到了钱，但他们的PE水平也远远高估了将来的增长水平。这轮泡沫中，实业经营方面并没有出现大规模的供过于求，尽管在当时看来通信设施建设有些超前，但现在仍远远不能满足人们的需要，3G、4G、5G的建设仍是如火如荼，许多被传统价值投资者打上“仅仅是概念”标签的电脑、宽带、手机、网络购物已经实实在在地走进了人们的生活。但相比瞬息万变的资本市场，企业的这些实在业绩来得太迟了。
白酒尤其是高端白酒很可能是另一个经营泡沫的例子。即便是争议最激烈的2012年，高端白酒的PE大多在十几倍，并没有明显的估值泡沫。但白酒股的低PE是建立在利润超高增长的基础上的，以茅台为例，2011年73%的增长速度是过去十年仅次于2007年的水平，2012年51%的增长水平又是排在2003年之后的第四名。这样的高速增长情况下，即便股价出现显著上扬也会导致PE走低。类似的，2005～2007年的工程机械、水泥、钢铁、造船都是显著的经营泡沫，尽管其中很多股票当时的PE水平也并不高。而医药行业，目前经营泡沫并不明显，但估值泡沫已经初露端倪。
泡沫结构 篇4
关键词：泡沫铝,孔径,控制
泡沫铝及其合金材料是近10年迅速发展起来的一种功能与结构一体化的新型工程材料。泡沫铝具有质轻、比强度高、阻尼减振、吸声降噪、抗冲击等特点。不同孔径和不同密率的泡沫在吸音、隔声、减震、导热、缓冲和电磁屏蔽等方面均表现不同的性质[1,2],目前对其组织结构、力学性能和其它应用性能的研究都有了较大的进展,但对气泡如何在液体中形核和长大、气泡随时间的变化以及稳定后的孔结构等方面的研究较少[3,4]。本研究分析了泡沫铝材料的发泡过程中气泡长大的动力学过程,推导了气泡长大中气泡半径与时间的关系及理论上球形气孔的最大半径,并依据熔体发泡法制备的不同孔径泡沫铝硅合金材料的实验结果,推导了此材料孔径与所加入增粘剂铝粉体积分数的关系,为泡沫铝硅合金材料中孔结构的控制提供了理论指导。
1 气泡的生核
泡沫金属气泡成核可以分为2种类型:均相成核和固液界面非均相成核。在制备泡沫铝过程中铝熔体存在大量的添加剂颗粒,常常有发泡剂(TiH2)颗粒本身和用来增加粘度及稳定泡沫的Ca、Mg、SiC、Al2O3等固体颗粒[5]。
假设泡核是依附于熔体中固体颗粒的光滑表面而形成,其形状是从半径为r的圆球上截取截面半径为R的球冠,如图1所示。
由热力学推导出的均相生核和非均相生核要克服的最小自由能垒分别为[5]:
undefined
ΔG*非undefined
式中:undefined;θ为气相与固相质点的润湿角,见图1;ΔP为两相压差;σ为气-液界面张力。
这些颗粒与铝液的润湿角(θ)大多大于180°,因此undefined<1,气泡非均相成核的临界自由能垒低于均相成核的临界自由能垒。此时都或多或少地有利于气泡非均相成核,制备泡沫铝中气泡非均相成核是主要的形核机制。
2 气泡的长大
气泡形核后,TiH2分解产生的氢气增量推动气泡长大。将气泡中的氢气看作理想气体,由理想气体方程pV=nRT可得[6]:
undefined
对球形气泡有:
undefined
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式中:r为气泡半径;n0为TiH2的物质的量;k为反应速率常数;α为TiH2的分解率。
undefined
undefined
由undefined积分得:
undefined
α=1-(1-kt)3 (9)
将式(9)代入式(7)得:
undefined
式(10)为气泡在没破灭前(仍处于长大过程中),半径r与时间t的关系。
3 气泡的最终半径及演化
对于在铝液中的泡沫,如果球状泡沫能在熔体内保持较长的稳定时间,就会有一部分转变为体积不均匀的多面体泡沫,形成球状泡沫和多面体泡沫的混合类型。气泡长大的演变过程如图2所示[3,7]。从图2可以看出,图2(d)中孔结构不均匀,主要原因为气泡的合并、相邻孔压力的不同导致孔壁的弯曲、部分气泡的破灭等;图2(c)为最理想的结构,有最大的孔隙率和较均匀的孔结构,因此要获得的孔结构应尽量为如图2(c)中的近球形气泡。
假设气泡为球形气泡时,在长大过程中,其在铝熔体中存在的最大理论半径为rmax。当球形气泡的内外压差2σ/r大于其上升的动压1/2ρU2时气泡才不会破裂,两者达到平衡时气泡达到一种亚稳态。其中,U为气泡上升速度,即要求[9]:
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球形气泡在流体中缓慢运动时的速率U可由Stokes定律得出[8]:
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将式(12)代入式(11),则有:
undefined
式中:η为流体的动力学粘度;g为重力加速度;σ为熔体的表面张力。
4 铝硅合金泡沫材料中孔径的控制
根据推导出的式(13),孔最后的孔径与粘度和表面张力有关,表面张力变化较小,孔径可仅由粘度的变化来控制,固定其它的影响因素(如温度、时间、发泡剂含量),粘度的变化可由铝粉在铝液中的体积分数控制。
4.1 实验方法与结果
选用材料为铝硅合金,首先将铝硅合金在650℃熔化并保温,然后在熔体中加入不同体积分数的铝粉进行增粘,通过搅拌使铝粉颗粒均匀分布形成复合熔体,在复合熔体中加入2%(质量分数)经预处理过的发泡剂TiH2,以2000r/min转速搅拌60s, 使发泡剂均匀分布,保温2min,完成发泡过程,冷却后得到不同孔径的泡沫铝硅合金材料。线切割成直径Φ100mm、高15mm的样品,拍成照片,将样品图用Photoshop软件处理,用专门的软件统计出近似球形孔结构的平均孔径。某样品处理后的剖面图如图3所示。
铝粉在熔体中体积分数为:
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式中:WS为铝粉质量,WL为铝合金质量[12]。孔隙率采用体积差法计算[10],实验结果如表1所示。
4.2 讨论与分析
通过金相、SEM、EDS分析铝粉增粘机理发现[8],铝粉颗粒在与铝液之间形成不均匀多相系统的同时形成了大量氧化铝膜。氧化物与液态金属铝间的表面张力较小,易悬浮在液态金属之间,增大了金属质点间的内摩擦力,使粘度进一步增加[9,10],此时铝熔体为非牛顿流体。
前苏联学者在研究湿法冶金中高浓度矿浆粘度时发现,当固体颗粒粘度大且不断搅拌时,颗粒与颗粒之间的大量摩擦对固液悬浮液的流动及变形性质会产生较大影响,此时对流体施加外力产生流动,其对器壁的剪切力与流体的切应变不再呈线性关系,因其不再服从牛顿定理,为非牛顿流体,并对非牛顿流体粘度提出了一些经验公式,比较实用的有Vand式[10]:
undefined
当铝粉增粘时,铝液中存在较多的固体颗粒,并形成大量的氧化物,同时也在不断搅拌,其也为非牛顿流体,推断此时熔体和湿法冶金中高浓度矿浆的粘度近似。
将表1中所测得的平均球形孔径值看作 rmax, 代入所推导的式(13)中,计算出此时熔体的粘度值。在650℃液态铝硅合金中,运动粘度η0*=0.002Pa·s [3],ρ=2400kg/m3,表面张力σ=0.851N/m[10]。将计算的粘度值与运动粘度η0*比值的对数与铝粉在铝液中的体积分数作图,结果大多在一条直线上,如图4所示,直线斜率b=12.24。
因此可认为推断合理,铝粉增粘后熔体和湿法冶金中高浓度矿浆的粘度近似,铝液的粘度可用Vand公式表示:
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由式(15)修正所推导的理论公式式(13),得适合铝硅合金孔结构的公式:
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根据式(16)可知,在制备泡沫铝硅合金材料时可通过铝粉在铝液中的体积分数控制孔尺寸,制备不同孔径的泡沫铝硅材料。但实验中发现,当铝粉体积分数超过30%时,铝粉在熔体中很难混合均匀,所得样品孔结构不均匀;当铝粉体积分数小于8%时,熔体粘度太小,气泡难以稳定存在,所得孔隙率低于70%。因此,铝粉含量在8%～30%(体积分数)时为合适条件。
5 结论
(1)分析了泡沫铝材料发泡过程中气泡长大的动力学过程,推导了气泡长大中气泡半径与时间的关系以及理论上球形气孔的最大半径。
(2)依据熔体发泡法制备不同孔径泡沫铝硅材料的实验结果,推导了铝粉增粘后熔体与湿法冶金中高浓度矿浆的粘度近似,此时粘度可用Vand公式表示,同时推导了孔径与所加入增粘剂铝粉体积分数的关系公式,为泡沫铝硅合金材料中孔结构的控制和制备不同孔径的泡沫铝硅合金材料提供了理论指导。
参考文献
[1] Fazekas A,Dendievel R,Salvo L.Cellular metals and metalfoaming technology[M].Bremen:MIT Verlag,2001:259
[2] Banhart J,Ashby M F,Fleck N.Cellular metal and metalfoaming technology[M].Bremen:MIT Verlag,2001:193
[3] Takashi Nakamura,et al.Development of new foaming a-gent for metal foam[J].Mater Trans,2002,43(5):1191
[4] Yang C C,Nakae H.The effects of viscosity and coolingconditions on the foamability of aluminum alloy[J].J MaterProc Techn,2003,141(2):202
[5] Teng Jianxni(滕建新).Study on dynamic bubble nucleationmechanismin cellular plastics(泡沫塑料动态成核机理的研究)[D].Guangzhou(广州):South China Unviersity ofTechnology(华南理工大学),2000:21
[6]李文超.冶金与材料物理化学[M].北京:冶金工业出版社,2001:271
[7] Sun Y Q,Gao T.The optimum wetting angle for the stabi-lization of liquid-metal foams by ceramic particles:Experi-mental simulation[J].Metall Mater Trans,2002,33(10):3285
[8] Wei Peng(魏鹏),Liu Lin(柳林).Preparation of foamed a-luminum with controllable size of pore(孔径可调的泡沫铝材料制备研究)[J].J Mater Eng(材料工程),2005(9):30
[9] Yang C C,Nakae H.Foaming characteristics control duringproduction of aluminum alloy foam[J].J Alloys Compd,2000,313(2):188
金融泡沫的核心是政治泡沫 篇5
为什么在危机爆发之前，美国政府未能有效地预防金融危机的发生？为什么在金融危机爆发后，美国政府采取的应对措施非常迟缓无力？诺兰·麦卡蒂、基思·普尔和霍华德·罗森塔尔认为，关键在于金融泡沫背后的政治泡沫。政治泡沫是僵化的意识形态、反应迟钝且低效的政府机构和特殊利益的产物。当政治泡沫滋生之时，各种政治因素会使监管者对金融问题视而不见，让各种隐含着巨大道德风险的市场行为大行其道，从而为金融泡沫创造了有利条件。在《政治泡沫》一书中，他们阐述了政治泡沫催生以房地产业泡沫为起点的金融泡沫，最终演变为金融危机的机制和过程；他们还指出，这种模式已经在美国历史上反复出现过了多次。
根据该书，政治泡沫是指一系列政策偏差，它们催生、培育并放大了那些导致金融危机的市场行为。政治泡沫是顺周期的，当市场上出现了追求风险的行为倾向时，政治泡沫不但不会反对之、抑制之，反而只会扶植之、教唆之。例如，在金融泡沫产生、发展时，本应加强监管，但是政治泡沫却放松监管；当投资者本应去杠杆化时，政治泡沫却鼓励他们继续举债；当货币政策本应收紧时，政治泡沫却促成了更宽松的信贷环境。
麦卡蒂、普尔和罗森塔尔对“政治泡沫”的生成机制的分析启人深思。他们提出了一个“三I一体”框架。第一个“I”是“意识形态”（Ideology）。意识形态就是某种“思想体系”，它通常与“某个阶层或群体采取的或想要采取的行动有关，因此往往被用来为特定的行为提供正当性理由”；而且这种“思想体系”是“不问原因毫无保留地被作为一个整体全盘地接受，并且被不顾事实真相、不顾事件的实际发展过程而顽固地坚持”的。第二个“I”是“制度”（Institution）。一方面，制度就是“游戏规则”，决定了对于社会行动来说至关重要的激励机制，而坏的激励机制会诱导破坏性的行为；另一方面，制度也型构着政治决策过程，例如，政治家支持什么政策，肯定会受到选举制度的影响；联邦政府的结构（两院制、总统否决权、国会内部的委员会制）也可能会阻碍政府灵活地做出政策反应。第三个“I”是“利益”（Interest）。自利和贪婪是政治泡沫的催化剂。
金融泡沫和政治泡沫密不可分。机会主义的金融家经常与机会主义的政治家及气味相投的意识形态死硬派结成同盟，利用一切可能的政治机会去谋取利益。（例如，华尔街和华盛顿之间存在着一道“旋转门”，今天的监管者可能就是明天的企业家；反之亦然。）不难想象，政治泡沫甚至比金融泡沫更加顽固。意识形态的死硬派是不会修正自己的世界观的；在出现了危机的时候，他们只会想方设法地去找替罪羊，责怪它们偏离了正统，而不愿意承认需要责怪的或许正是原来的正统观念，这就使得政策无法根据实际情况及时调整；另外，由于意识形态刚性，决策过程将会被拖迟、被扭曲，当政策得以通过时，原先的逆周期政策可能已经变成顺周期的了，从而为下一次危机埋下了种子。
自由市场保守主义并不是唯一促进政治泡沫发展的意识形态。作者们正确地指出，事实上，在一定意义上，正是那些位于政治光谱左翼、秉持以经济平等和种族平等为基石的再分配平等主义信念的政治家们，为加剧住房泡沫的政策提供了关键的支持；而房地产企业和金融企业的高管们则巧妙地利用了他们的政治意愿。
作者们承认，如果说金融泡沫是资本主义经济的一种流行症候的话，那么政治泡沫就可能是资本主义民主的一个永久性的特征。只要不愿意完全放弃资本主义可以带来的好处，那么这两个特征就都是无法彻底清除干净的。但是他们也坚信，某些经济政策和政治政策确实比其他政策更加可取。为此，他们的建议是推进“政治改革”，以便建立一些简单的、稳定的、直指问题核心的规则，预防金融危机的再次爆发。例如，他们强调，只有37页的《格拉斯—斯蒂格尔法案》（1933年通过）就比3000多页的《多德—弗兰克华尔街改革和消费者保护法案》（2010年通过）好得多。这不禁让人想起哈耶克对国会立法权的质疑。哈耶克认为国会应当只立法规定“游戏规则”，而不能试图去满足具体的社会目标。当今时代，美国的民主制度之所以显得“低效”，无疑与国会的绝大多数立法活动都涉及再分配有关。
泡沫结构 篇6
全高度的泡沫夹芯结构很多型号的飞机上均有应用,应用部位包括机翼的子翼、舵面后缘等等. 夹芯结构的损伤类型大致可分为表面损伤、单侧面板损伤、穿透损伤等[10]. 对于穿透性损伤一般用挖补法修理.
本文以某型飞机的子翼为依托,根据其受力情况设计典型试验件进行四点弯曲试验,研究其承载能力. 试验主要模拟泡沫夹芯结构在制造和使用过程中由于低速冲击出现缺陷或损伤后强度的变化情况,以及双侧挖补法修理后结构强度的变化情况,并通过有限元分析模拟修理前后的结构承载特性.
1 试验与分析
根据襟翼子翼的实际结构,选取典型的碳纤维面板的全高度泡沫夹芯结构进行四点弯曲试验. 试验件包括完好试件、含 φ50 mm损伤试件和复材双侧挖补修理试件;试验件数每种试件各3 件,共计9 件;支撑之间的距离L = 370 mm,加载头间距离为185 mm. 试验件尺寸为240 mm×400 mm,厚度为31.8 mm. 试验件及加载情况如图1 所示. 试验件面板材料为CYCOM970/PWC T300 3KUT,单层厚度为0.225 mm,铺层为[45/-45]s;芯子材料为71WFHT,厚度为30 mm;面板与芯子之间用胶膜胶接,胶膜牌号包括FM300K、FM490-A和FM 73M.
设计修理参数时遵循以下原则:
(1) 补片与芯子材料:尽量选择与母体相同的材料.
(2) 补片与芯子形状:取与挖掉的损伤区几何相似的形状.
(3) 补片的几何尺寸和搭接宽度满足:当d <30 mm时,L ≈ 0.85d;d > 30 mm时,20 mm<L <30 mm,其中d为损伤直径,L为搭接宽度. 为增加补片的剥离强度和改善气动性能,需在补片边缘打磨斜角;根据以上要求,试验件材料、铺层及补片尺寸等参数见表1,修理示意图如图2 所示.
试验破坏形式照片如图3 所示.
试验中几种试件的破坏模式相同,破坏都发生在同侧的上、下加载点连线上的泡沫芯子处. 加载头下对称面附近的应变片应变最大. 由于每种试件数量各有3 件,以下分析时取平均值. 完好件、含损件、复合材料修补件的最大应变分别为5.371×10-6,7.806×10-6和5.440×10-6.
比较分析3 种试件面板中心点处的应变,应变随载荷变化示意图如图4 所示. 从上图可以看出,含损试件相对于完好件在中心点处应变明显增加;而双侧挖补法修理试件中心点处的应变较含损试件有所降低,但不太明显. 比较完好件与修理试件的中心点处的应变相同时所加载荷,修理试件所承受的载荷低于完好试件所承受的载荷,当中心点的应变为3.0×10-6时,修理试件承载能力约为完好试件承载能力的88%;当中心点的应变为2.5×10-6时,修理试件承载能力约为完好试件承载能力的77%;当中心点的应变为1.5×10-6时,修理试件承载能力仅为完好试件承载能力的60% 左右. 得出修理后的结构承载能力恢复率不能达到80%.
2 理论计算
本节主要采用 “ABAQUS” 有限元软件,对完好试件、含Ф50 mm损伤试件、复材双侧挖补修理试件进行分析.
根据对称性,选取结构的1/4 建立有限元模型,并在对称面上施加对称载荷,对底部支撑采取固支边界条件.
对四点弯曲加载头施加垂直于子翼平面向下的位移载荷, 加载头的材料为钢,压头与子翼上表面之间定义了无摩擦硬接触.
建模过程中,复合材料层合板采用连续壳单元;泡沫夹芯采用一阶体元;面板与泡沫芯子、补片与面板/填充的泡沫芯子之间的胶采用 “Cohesive”单元模拟;加载头采用体元,对其与子翼接触的部位进行单元细化,双侧挖补法的有限元模型如图5 所示.
建模所用材料包括CYCOM970/PWC T3003KUT, 71WF-HT, Ti-6AL-4V和FM300K等,其中假设泡沫芯子为各向同性材料, E = 58 MPa,破坏应变为3%;胶的材料性能在计算中借用J-116B的性能.
分析中取复材面板应变最大的点,当芯材达到应变0.03 时芯子破坏,该复材夹芯结构的承载能力最大. 图6 为夹芯结构的应变云图,3 种结构的应变云图类似,在此不一一列出.
从应变云图中看出,3 种结构试件面板上最大应变出现的位置均是加载头下,完好件、含损件、复合材料修补件的最大应变分别为5.539×10-6,7.585×10-6,5.885×10-6.
3 分析与探讨
3.1 理论计算与试验符合性分析
(1) 结构的破坏模式相同,均为上加载点到下加载点的连线处夹芯率先破坏;
(2) 图6 中可见理论计算面板中的最大压应变位于加载头下,与试验中最大应变的位置相同;理论计算和试验最大应变结果如表2 所示,最大应变结果误差最大为7.6%.
综上,理论计算与试验结果吻合很好,可得出采用 “ABAQUS” 有限元软件能够很好地模拟典型试验件的修理问题,可以运用理论计算代替有些试验或者减少试验件件数,从而达到降低成本的目的.
3.2 试验结果探讨
(1) 破坏位置远离修补区
3 种试件破坏模式均是同侧加载点与支撑连线上的泡沫芯子破坏,远离修理处,未能达到本次试验的目的. 分析产生此种情况的原因为:试件面板太薄,为0.9 mm,仅为泡沫芯高度30 mm的3%,加载处载荷不能扩散,从而导致泡沫芯剪切破坏. 为避免此问题,在此类结构做弯曲试验时应设计过渡段,或者采用大尺寸试验件用胶布带加载.
(2) 修补结构承载能力恢复率低
修理后试件的承载能力恢复率不能达到80%,原因可能是补片铺层数与母板铺层数相同,而修补环境(补片的胶接质量、固化温度等) 与原试件制造环境有一定的差别. 为避免此问题,修理时补片铺层数应大于母板的铺层数.
参考文献
[1] Davis MJ,Bond DA.The importance of failure mode identification in adhesive bonded aircraft structures and repairs.ICCM12,Paris,France,1999
[2] Rastogi N,Deepak BP,Soni SR,et al.Failure mechanisms in bonded patch repaired structures.ICCM11,Australia,1997
[3] Odi RA,Friend CM.Bonded repairs in composite structures:A finite element approach.ICCM11,Australia,1997
[4] Wang CH,Rose LRF.On the design of bonded patches for one-sided repair.ICCM11,Queensland,Australia,1997
[5] Stewart ML.An experimental investigation of composite bonded and/or bolted repairs using single lap joint design.AIAA-97-1339,Florida,1997
[6] 程小全,寇长河,郦正能.低速冲击后复合材料层合板的修补研究.航空学报,2000,21(3):282-285
[7] 程起有,姚磊江,童小燕等.补片尺寸对复合材料胶接修理性能的影响.飞机设计,2004,(3):31-33
[8] 汪海,陈秀华,郭杏林等.复合材料蜂窝夹芯结构修理后强度研究.航空学报,2001,22(3):270-273
[9] 李艳,于克杰.某飞机机翼整体壁板损伤修理的有限元分析.力学与实践,2008,30(1):44-46
泡沫结构 篇7
关键词：泡沫混凝土,EVA乳液,性能,孔结构
0 前言
泡沫混凝土具有良好的物理力学性能、热工性能和独特的结构特性,在建(构)筑领域和功能型建筑制品生产等方面应用越来越广泛。然而,泡沫混凝土中含有大量封闭气泡,原料以粉料和细颗粒为主,存在强度低、收缩大等问题。随着高分子材料科学的发展和对材料结构与性能关系的深入认识,聚合物在混凝土领域逐渐发挥其改性作用。本文选取聚合物乳液对泡沫混凝土的性能影响进行试验研究,探讨聚合物对泡沫混凝土力学性能、收缩性能和孔结构的影响,为泡沫混凝土的组成设计与应用提供依据。
1 试验原材料及方法
1.1 原材料
水泥:42.5级快硬硫铝酸盐水泥。
发泡剂:白色粉末,CCW-2008型,中国建筑材料科学研究总院研制,具有起泡力强、稳定性好等特点。
速凝剂:中国建筑材料科学研究总院研制的硫铝酸盐水泥专用型速凝剂(WWX-Ⅰ)。
聚合物:乙烯-醋酸乙烯酯聚合物乳液(简称EVA乳液),固含量54%。
1.2 试验方法
1.2.1 泡沫混凝土的制备
使用高速搅拌机将设定比例的泡沫剂水溶液制成泡沫,搅拌时间以泡沫达到均匀、细小、稳定为准。按设定比例计量水泥、聚合物乳液和水,将聚合物和水预先混匀,再使用砂浆搅拌机将其与水泥搅拌成均匀浆体,搅拌时间控制在180s左右。在浆体中加入一定体积的泡沫,继续搅拌至均匀为止,预计时间在180s左右。泡沫混凝土配合比设计依据固定原材料重量法和固定混合料体积法进行。通过检测泡沫混凝土的湿密度,进而控制泡沫混凝土的绝干密度和均匀性[1]。成型好的试件在室内放置,用塑料布覆盖。1~2d(时间长短视泡沫混凝土密度而定)后脱模,在室内密封条件下养护至试验龄期。
1.2.2 性能测试方法
测试试件28d龄期的抗压强度、绝干密度和3d、7d、14d、28d和56d龄期的收缩值。其中绝干密度参照GB/T 11969-2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》、抗压强度参照JC/T 1062-2007《泡沫混凝土砌块》、收缩试验参照JGJ70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》进行测试。
1.2.3 孔结构测定方法
泡沫混凝土中的气孔大部分是泡沫剂引入的大孔。本文采用超景深三维显微系统(型号VHX-600)拍摄泡沫混凝土断面,见图1所示;然后用图像处理系统软件对照片进行黑白二值化处理,将照片处理成一张黑白照片,见图2所示,其中黑色的为孔,白色的为孔壁;最后将处理过的照片用奥林巴斯图像分析软件(Analysis Image Processing)测量孔隙率、孔径和孔分布等孔结构参数。
2 试验结果与分析
2.1 聚合物对泡沫混凝土孔结构的影响
图3为掺加EVA乳液泡沫混凝土的断面照片。由图3可见,随着EVA乳液掺量的增加,泡沫混凝土孔径呈增大趋势,当EVA乳液掺量为8.0%时,大孔数量明显增加。
将孔径由小到大划分为0~100μm、100~200μm、200~300μm、300~400μm和400μm以上五个区间。图4为掺加EVA乳液泡沫混凝土的气孔分布柱状图。由图4可见,无论是否掺加EVA乳液,泡沫混凝土气孔均集中分布在0~200μm,约占气孔总数的85%左右。不掺EVA乳液的泡沫混凝土在0~100μm区间内气孔比率约为49%,随着乳液掺量增加,此区间内气孔比率逐渐减少,掺量为8.0%时下降到30%。而在100~200μm区间内,不掺EVA乳液的泡沫混凝土气孔约占38%,随着乳液掺量增加,此区间内气孔比率逐渐增大,掺量为8.0%时增加到54%。大于400μm的区间,随着乳液掺量增加,气孔比率也逐渐增加。总之,随着EVA乳液掺量的增加,100μm内小孔数量逐渐减少,100~200μm气孔数量逐渐增加,且400μm以上的大孔数量逐渐增加,孔径呈增大趋势。研究发现,掺加EVA乳液后600级泡沫混凝土气孔呈现相同的变化趋势。
由于聚合物具有活性,在搅拌过程中会引入较大气泡,根据Young-Laplace公式,附加压力与曲率半径成反比,小气泡内的压力大于大气泡内的压力,从而导致小气泡在内部气压作用下破裂,气体向大气泡合并[2]。因此,随着EVA乳液掺量的增加,大孔数量逐渐增多。
2.2 聚合物掺量对泡沫混凝土力学性能的影响
EVA乳液掺量与泡沫混凝土力学性能的关系见图5。由图5可见,EVA乳液使泡沫混凝土的抗折强度逐渐提高,当掺量为8.0%时,300级和600级泡沫混凝土抗折强度分别提高约50%和40%。随着EVA乳液掺量的增加,抗压强度先增大后降低,E-VA掺量为6.0%时抗压强度达最大值,当掺量为8.0%时抗压强度下降幅度较大,甚至低于不掺EVA乳液时的强度。
在泡沫混凝土中掺加EVA乳液后,随着水泥水化的进行,EVA乳液逐渐聚集在孔壁内和气孔表面。一方面,水泥水化产物与EVA相互穿透,EVA相在泡沫混凝土中以空间三维连续或半连续网状结构存在,其作用相当于“微纤维”,形成桥链从而增强水泥基体,抵抗裂纹扩展;另一方面,EVA填充或封闭了水泥中的部分孔隙,增强了聚合物与水泥之间的结合,因此,使泡沫混凝土抗压强度有所提高[3~4]。当EVA乳液掺量超过8.0%后,由于泡沫混凝土大孔数量增加,大孔处容易产生应力集中,使抗压强度下降。
2.3 聚合物掺量对泡沫混凝土收缩的影响
图6为EVA乳液掺量与泡沫混凝土收缩值的关系曲线。由图6可见,泡沫混凝土无论是否掺加EVA乳液,3d收缩值几乎达到56d收缩值的一半或一半以上,因此,应当加强泡沫混凝土的早期养护。随着龄期增长,水泥水化不断进行,水分不断蒸发,收缩逐步增大。EVA乳液掺量越大,龄期越长,对改善泡沫混凝土收缩的作用越明显。
产生上述变化是由于聚合物填充或封闭了孔壁中的部分孔隙,使孔壁更加密实,水泥水化产物与聚合物相互穿透,其“微纤维”作用限制了泡沫混凝土收缩。在水泥水化过程中,富集在孔隙壁上的聚合物集合体水分不断丧失后形成覆盖于孔隙内壁的薄膜,聚合物所形成的“密室网络结构”阻碍了泡沫混凝土内水分的流失,从而改善了泡沫混凝土的收缩性能。
3 结论
(1)掺加EVA乳液后泡沫混凝土100μm内小孔数量逐渐减少,100~200μm气孔数量逐渐增加,且大于400μm的大孔数量逐渐增加,孔径呈增大趋势。
(2)EVA乳液具有“微纤维”和填充作用,可提高泡沫混凝土的抗折强度,使抗压强度先提高后降低。
(3)泡沫混凝土早期收缩很大,应加强早期养护。随着龄期增长,收缩均逐步增大。EVA乳液掺量愈大,龄期愈长,对泡沫混凝土收缩改善效果愈好。
参考文献
[1]王武祥.泡沫混凝土绝干密度与抗压强度的相关性研究[J].混凝土世界,2010(12):50-53.
[2]闫振甲,何艳君.泡沫混凝土实用生产技术[M].北京:化学工业出版社,2006.
[3]江翠兰,荣垂强.四种常见聚合物对混凝土力学性性能的影响[J].广西城镇建设,2007(3):71-73.
泡沫结构 篇8
一、文献回顾
泡沫 (Bubbles) 的形成在一定程度上是投机和预期行为共同作用的结果 (Kinderberger, 1989) , 土地泡沫推高了房地产泡沫 (野口悠纪雄, 1989) , 供求、收入、信贷、通货膨胀、城市化等因素均会引起房价变动 (Mankiw&Weil, 1989;Meen, 2003;Dipasquale&Wheaton, 1994) , 且房价主要反映卖方信号, 买方信号较滞后 (Kninght, 1994) 。在泡沫形成机制方面, Wong (1998) 以泰国房地产泡沫为背景, 研究在经济过热和资本大量流入的情况下, 开发商对市场过度乐观的预期以及居民涨价预期之间的相互作用所产生的“羊群效应”在房地产泡沫产生、发展、形成和膨胀过程中的作用机制。在房地产宏观调控方面, 转型经济体政府应充分发挥市场自我调节功能, 确保房地产市场的透明和繁荣, 不宜过度介入 (Gavin Adlington, 2002) , 管制更容易造成价格剧烈波动 (Malpezzi, 1996) 。土地政策、公共财政政策和税收政策等对于规范房地产市场发展具有重要意义 (Geoffrey&Andrew, 2004) , 但过度的信贷支持将造成房地产市场非理性繁荣, 引发房地产泡沫 (Kosuke Aoki, 2005) 。
随着房价的过快上涨, 住房问题日益突出, 国内学者开始对房地产泡沫问题进行深入研究。曹振良 (2006) 通过构建“一三四”房地产泡沫理论分析框架, 认为房价上涨和房价收入比过高不一定就是泡沫, 并得出中国房地产不存在全局性泡沫之结论。而易宪容 (2005) 从“存量需求”释放和“有效需求”不足两方面论述我国房地产泡沫存在与否, 并认为“有效需求”不足条件下一味提升房价只能使房地产泡沫越吹越大, 一旦泡沫破灭, 最后受害者是购房的弱势民众。在泡沫形成机制方面, 丰雷、朱勇和谢经荣 (2002) 认为土地投机是我国房地产泡沫形成的最直接原因, 政府干预失败是主要原因, 而权力寻租和法制不健全等因素在地产泡沫中起了推动作用。袁志刚与樊潇彦 (2003) 进一步指出行为人预期、银行信贷及政府政策在泡沫形成中具有重要作用。在房地产宏观调控方面, 刘金钵 (2004) 认为加强宏观调控有利于房地产市场健康发展, 而政府调节包括数量调节和价格调节两种 (李正全, 2005) , 控制土地供给总量, 完善住房供给体系 (谭禹, 2009) , 采取货币、税收和产业等政策“组合拳”有利于住房问题解决 (贾康, 2010) 。
从国内外相关研究可以看出, 房地产泡沫的形成在一定程度上是土地价格的推动、住房供给的相对紧缺、居民收入的不断增长和信贷的过度支持造成的。本文不仅从上述视角探讨房地产泡沫形成机制, 而且将租赁市场纳入研究范畴, 在此基础上构建五级市场结构房地产泡沫分析框架, 利用1998-2010年季度数据进行实证分析, 力图对房地产泡沫形成机制问题进行深入研究, 并提出相应的对策建议。
二、五级市场结构房地产泡沫分析框架
根据发达国家市场状况, 房地产市场一般可分为一级土地市场、二级新房市场、三级旧房市场、四级租赁市场和五级房地产金融市场。房改以来, 我国土地市场日益完善, 新房和旧房市场快速发展, 租赁市场日益健全, 房地产金融市场日益发达, 五级市场结构日益形成。
(一) 房地产五级市场结构
1. 房地产一级市场主要指国家通过特定的政府职能部门将城镇国有土地或农村集体土地征用为国有土地 (包括生地和熟地) 后出让给使用者的市场, 它实质上是土地使用权出让市场, 由国家垄断。当前, 我国尚处于房地产市场发展的初级阶段, 总量矛盾占主导地位, 政府可以通过控制土地供给来推高地价, 而开发商的非理性行为将加快政府意图的实现, 并通过高房价将高地价所产生的成本压力转嫁给购房者, 推动地价、房价螺旋式上涨。如图1所示:当前我国房价为P1, 总量矛盾占主导地位, 住宅供需缺口为, 土地供需缺口为, 而政府对土地供给节奏的控制会导致地价不断上涨, 开发商将成本上升转嫁给购A1 R1房者, 房价上涨至P2。此时, 供需缺口下降, 但政府土地供给已达到上限, 开发商非理性“拿地”行为必然导致地价再次上涨, 从而带动房价上涨至P3, 房价脱离了自身价值, 房地产泡沫日益积累。
2. 房地产二级市场主要指开发商通过“招拍挂”方式获得土地使用权后对土地进行开发建设或再次流转, 并将新建商品房进行出售或出租的市场, 它包括新房交易市场和土地二级流转市场。1995年我国正式实行期房预售制度, 预售制度下开发商可以将正在建设中的楼盘进行预售, 以加快资金回笼, 解决开发商资金短缺问题。从新房交易市场来看, 开发商占据了绝对强势地位, 他们通过虚假交易和“捂盘”等行为制造住房供给不足的假象, 强化房价将不断上涨的预期, 在“羊群效应”的推动下, 房地产泡沫不断膨胀。从土地二级流转市场来看, 有些开发商直接通过“炒地”来获取土地收益。“8·31大限”以前, 开发商可以通过寻租行为低价获取土地, 然后高价卖出, 从中赚取利润;“8·31大限”以后, 由于我国土地价格连年上涨, 即使通过“招拍挂”方式获得的土地进行转让也有巨大的盈利空间。因此, 土地二级流转市场的存在为“炒地”提供了场所, 从而推动地价和房价螺旋式上涨, 房地产泡沫不断膨胀。
3. 房地产三级市场主要指房产所有者将取得一定年限的土地使用权和房产所有权进行转让或出售的市场, 即二手房交易市场。二手房交易一方面受新房交易影响, 另一方面受业主的“惜售”、市场供求状况和居民对未来的预期等因素影响。“房改”以来, 我国房地产市场基本上处于卖方市场, 业主“惜售”现象明显, 人为地扭曲了房地产供求状况, 在开发商和业主双重“夹击”下, 我国房价一路攀升, 部分区域甚至出现了成倍增长, 房地产泡沫不断膨胀。
4. 房地产四级市场主要指房地产租赁市场, 即业主利用中介机构或网络媒体等将房产对外出租以获取租金的行为, 租金高低直接反映了房产的投资价值。我国房地产租赁市场发展较为滞后, 2006年9月才有房地产四级市场的提法, 房地产租赁市场走向规模化和正规化尚需时日。一方面与我国居民的置业观念有关;另一方面更与业主“炒房”意图密切相关, 我国大多数业主“炒房”并非为了获取租金回报, 而是为了投机, 即使有部分业主对外出租也主要因为政策性因素无法短期内转让房产而采取的“短租”行为。如图2所示, 由于租赁市场的不完善, 可供出租的住房不断减少, 租赁供给曲线不断向右上移动, 租赁需求逐渐转化为购房需求, 购房需求曲线随之向右上移动。在供给曲线不变情况下, 房价从P1上升至P2, 再上升至P3, 房地产泡沫再次膨胀。
5. 房地产五级市场主要指房地产金融市场, 包括银行信贷、房地产信托基金、房地产债券及衍生金融工具等。我国房地产金融市场主要指银行等金融机构为开发商和购房者提供融资支持的信贷市场。房改以来, 国家加大了对房地产行业的信贷支持力度, 房地产信贷市场得到快速发展, 我国住房抵押贷款 (包括商业贷款和公积金贷款) 余额从1998年的426亿元迅速增长到2010年的6 4 8 0 0 亿元, 增长了152倍;房地产开发贷款余额从1998年的2680亿元增长到2010年的33268亿元, 增长了12.41倍。从房地产资金来源来看, 房地产开发贷款约占30%, 定金及预付款约占4 0%, 自筹资金约占30%, 其中定金及预付款中50%~70%来自按揭贷款, 因此银行信贷资金占到房地产资金来源的50%~60%, 如果再考虑到开发商自筹资金可能有部分来自银行, 银行信贷资金在开发资金中的比重可能会达到65%~70%。
(二) 五级市场结构房地产泡沫形成机制
通过对房地产市场的分级研究, 发现房地产泡沫起源于地价的大幅上涨, “土地财政依赖症”使得地方政府存在推高地价的“天然政策倾向”。由于土地的政府垄断性、稀缺性和不可再生性, 地方政府可以通过控制供给和制造舆论等方式来推高地价, 而土地又是房地产行业最重要的资源, 一旦开发商争相竞标出现非理性行为, 土地价格必然大幅上升, 从而推动房价上涨。在住房供求总量矛盾占主导地位的条件下, 开发商具有较强的成本转嫁能力, 高地价最终体现在高房价上, 出现“成本推动型”房地产泡沫。同时, 开发商的“捂盘”和业主的“惜售”等行为将人为制造供给不足的假象, 且开发商不断制造舆论, 大肆宣扬房价将继续上涨, 引导居民形成房价上涨预期, 业主更加“惜售”, 无房者加快购房步伐。在投机过度和“羊群效应”作用下, 房地产供需缺口越来越大, 房价也将一路飙升, 房地产泡沫不断膨胀, “投机推动型”房地产泡沫逐渐形成。这种泡沫不可能长久持续下去, 尤其是房价上涨幅度超过了居民收入增长幅度, 居民的“硬购买力” (即指居民拥有的可用来购买住房的财富所产生的购买力) 将下降, 在无外界资金支持的情况下, “投机推动型”房地产泡沫很可能破灭。但房地产金融市场的存在使得“投机推动型”房地产泡沫延续并进一步膨胀, 银行等金融机构通过房地产贷款不仅增强了开发商的资金实力, 更提高了居民的“软购买力” (即不仅指居民拥有的可用于购买住房的财富所产生的购买力, 还包括居民通过举债等方式所产生的购买力) , 为高房价打了一针“强心剂”, 房价再攀高峰, 房地产泡沫再次膨胀, 出现了“信贷推动型”房地产泡沫。
在成本、投机和信贷的三重推动下, 地价、房价单边上扬, 房地产泡沫日益形成和膨胀, 而租金价格上涨幅度大大低于房价上涨幅度, 房地产已无投资价值, 此时的购房者主要是为了获取投机差价, 而非为了获取房地产投资收益 (如租金) , 如果房价超出了居民“软购买力”, 高房价将无法延续。在高房价下, 国家很可能采取紧缩性的宏观调控政策以遏制房价进一步上涨;银行将收紧银根, 甚至可能采取提前回收贷款的政策, 开发商面临资金链断裂风险;居民对房价预期将发生逆转, 且在巨大的投机收益刺激和“羊群效应”作用下, 居民很可能急于套现, 一旦大规模的“抛盘”出现, 房价必将出现暴跌, 房地产泡沫随之破灭 (见图3) 。
注:检验形式0、1表示单位根检验方程中检验是否包括常数项、趋势项, 2表示滞后阶数。
三、五级市场结构房地产泡沫形成机制实证分析
(一) 模型构建
房地产泡沫的形成主要表现在房价的大幅上涨, 房价脱离自身价值。五级市场结构下, 土地价格的大幅上涨将推动房价的大幅上涨;开发商“捂盘”控制供给的行为将推动房价上涨;居民收入的提高将增强其投机能力, 影响房价走势;租金增长缓慢, 房地产投资价值下降;银行等金融机构的过度信贷支持将推动房价持续上涨。因此, 五级市场结构房地产泡沫形成机制可表述如下:
其中, PR表示住宅销售价格指数, PT表示居民用地销售价格指数, SE表示住宅销售面积增长率, IN表示城镇就业人员报酬增长率, RT表示住宅租赁价格指数, FI表示商业性银行贷款余额增长率。
(二) 数据来源及其说明
本文数据 (1998-2010年季度数据) 主要来自于国家统计局、Wind行业数据库等权威机构。受数据统计区间的影响, 城镇就业人员报酬增长率的数据起点为2002年第1季度, 1998年至2001年的季度数据采用城镇居民季度可支配收入增长率来代替;商业性房地产贷款余额增长率数据统计起点为2004年第4季度, 1998年至2004年第3季度数据为住房按揭贷款年增长率折算而来。
(三) 实证检验
1. 平稳性检验和协整检验
(1) 平稳性检验 (Augmented Dickey-Fuller)
选取的PR、PT、SE、IN、RT和FI等数据序列均属于时间序列, 为了避免出现伪回归现象, 必须对时间数列的平稳性进行检验, 检验结果如表1所示。
从表1可知, PR、PT、SE、IN、RT和FI的ADF统计量大于1%的显著水平下的临界值, 接受原假设, 时间序列含有单位根, 是非平稳序列, 其一阶差分序列的ADF值小于1%显著水平的临界值, 是一个平稳序列, PR、PT、SE、IN、RT和FI都属于一阶非平稳序列, 他们之间可能存在协整关系。
注:*表示在5%的标准均拒绝原假设, 说明解释变量和被解释变量存在协整关系。
(2) 协整检验 (Cointegration Test)
ADF检验结果显示各变量均为一阶差分时间序列, 则在PR、PT、SE、IN、RT和FI之间可能存在长期稳定的均衡关系, 这种关系可用协整检验来确定。本文运用JJ协整检验方法对这种长期均衡关系进行检验, 该方法是基于VAR模型, 先确定VAR结构。设VAR中内生变量为:, 其中滞后项的选择根据AIC和SC准则, 本例选择滞后项为3。由表2的检验结果可以看出, PR、PT、SE、IN、RT和FI之间在5%的显著水平下存在协整关系, 即各变量之间存在着长期稳定的均衡关系。
2.“四重套利”模型的参数估计及其解释 (1) 协整方程
协整检验表明解释变量和被解释变量之间存在协整关系, 将其进行标准化处理后可以得到以下协整方程:
其中, ECt是非均衡误差项, 括号内为各个变量协整回归检验的标准差。由 (1) 式可知, 五个变量之间存在着长期的均衡关系, PR与PT、SE、IN、RT和FI的长期关系弹性分别为0.45、0.28、0.46、-0.38和0.07, PR与PT、SE、IN和FI正相关, 与RT负相关。
(2) VAR模型
通过定阶与模型筛选, 建立VAR模型如表3所示。从系数的估计值可以看出, 对PR影响较大的变量是PT, 其次是FI, 再次是SE和IN, RT影响最小, 但滞后2期的PT和FI均对PR产生负面影响。
为了进一步考察所建立的VAR系统稳定性, 可利用AR roots方法进行检验。如图4所示, AR roots均落在单位圆内, 说明该系统是稳定的, 从而证明VAR模型能够很好地反映PR、PT、SE、IN、RT和FI之间的数量关系。
3. 脉冲响应函数与方差分解
(1) 脉冲响应函数
以所建立的VAR模型为基础, 利用脉冲响应函数分别计算得到PR与PT、SE、IN、RT和FI的脉冲响应路径, 其计算结果如图5所示, 其中横轴代表滞后阶数, 为了便于观察, 本文将滞后阶数定为30期;纵轴代表被解释变量对解释变量冲击的响应程度, 图中实线部分为计算值, 虚线部分为响应函数值加减两倍标准差的置信区间。
对于PR的冲击, PT在第1个季度中反应为正, 之后持续上升, 在第3个季度响应值达到最大, 为0.28563, 之后不断下降, 在第7个季度PT响应转为负值, 从第13个季度开始保持稳定;SE在第1个季度中的反应为正, 其响应值较微弱, 随后不断下降, 从第3个季度开始, SE响应转为负值, 第20个季度开始保持稳定;FI在第1个季度中反应为正, 第3个季度开始下降, 第6个季度转为负值, 第17个季度开始保持稳定;IN在第1季度中反应为负, 但之后响应值快速上升, 在第3个季度响应值达到最大, 为0.010183, 随后开始下降, 从第20个季度开始保持稳定;RT在第1季度中反应为负, 之后开始上升, 但大多为负值, 从第14个季度开始保持稳定。
注:R2=0.840379, Adj.R2=0.788610, F=16.23324, AI C=-4.802938, SC=-4.05812。
综上所述, PT、SE、IN、RT和FI在短期内变化对PR影响较大, 但长期来看, 影响较为微弱, 且基本是负面影响, 这说明当房地产泡沫积累到一定程度时, 高房价将难以为继, 必然破灭, 房价随之下降。
(2) 方差分解
CF的方差分解如图6所示:随着滞后期的推移, PR自身影响权重从100%下降到65%左右, 比重显著下降;PT和SE的比重则从0%迅速提高到10%左右, 对PR具有显著影响;RT和FI比重也从0%提高到6%左右, 对PR也具有一定影响;IN比重仅从0%提高到3%左右, 对PR影响相对较小。
四、结论与政策建议
(一) 研究结论
本文在充分考虑PR、PT、SE、IN、RT和FI的情况下, 利用1998-2010年的季度数据对我国房地产泡沫形成机制进行实证研究, 结果表明我国房地产泡沫具有典型的“成本推动型”、“投机推动型”和“信贷推动型”三重特征。土地价格上涨和居民收入增加所产生的投机行为对房价上涨的影响最大, 说明“成本推动型”和“投机推动型”是我国房地产泡沫形成的主要特点。其次, 开发商销售面积的增加也会带动房价的上涨, 说明我国当前房地产市场仍处于供求总量矛盾阶段, 供给增加速度低于需求增长速度, 房价仍将上涨。再次, 房地产金融支持在一定程度上助推了房价再次上涨, 但相对于PT、SE、IN变量而言, 影响相对较小, 主要是因为我国大多采取趋紧的房地产货币政策, 且调控政策一般是逆周期的, 所以房价与银行贷款相关系数较小, 但仍能很好地说明我国房地产泡沫兼有“信贷推动型”特征。最后, 租赁价格与房价负相关, 说明我国房价上涨幅度远大于租金上涨幅度, 用租金价格比衡量的房地产投资价值较低, 进一步说明居民投资房产不是为了出租, 而是为了买卖差价。
(二) 政策建议
1. 完善招拍挂制度, 深化土地制度改革, 根治“土地财政依赖症”, 抑制“成本推动型”房地产泡沫的形成。进一步完善招拍挂土地出让制度, 变“价高者得”模式为“综合指标”模式, 割断土地成本对房价的传导机制。同时, 改变“一口进一头出”的土地征收出让模式和政府土地市场“做市商”角色, 尽快允许城中村、农村宅基地和集体土地进入土地交易市场, 建立多元主体的土地供给体系, 改变政府完全垄断土地市场的格局。政府应根据市场需求情况及时调整土地供给, 抑制因土地供给“不足”所导致的地价上升压力, 并对“炒地”行为严厉打击, 征收高昂流转税、增值税和所得税。另外, 深化税制改革, 根治“土地财政依赖症”。“分税制”造成地方政府“财权”与“事权”的不匹配, 造成地方政府对土地出让金高度依赖。深化税制改革, 将部分税收纳入地方财政, 有利于增强地方财政实力, 弱化对土地出让金的依赖。
2. 加快保障房建设, 完善住房供给体系, 开征物业税, 抑制“投机推动型”房地产泡沫的形成。政府应承担起为中低收入家庭提供住房保障的责任, 通过管理监督和直接参与等方式干预住房市场, 调整住房供给结构以遏制房价过快增长, 利用政府调控来弥补市场失灵;成立专门负责保障房建设、运营和管理的机构, 在土地、财政资金、税收等方面赋予其更多的职权;应根据财力、物力和社会需求适时制定保障房建设目标, 将其完成情况列入地方官员的主要考核指标, 遏制地方政府在保障房建设过程中的消极怠工行为, 推进保障房建设进度, 实现保障房建设目标, 进一步完善住房供给体系。同时, 开征物业税, 将一次性征收的土地出让金分摊到未来若干年, 不仅能够摆脱地方政府的短视行为, 改变地方政府对楼市调控的态度, 由“消极执行者”向“积极调控者”转变, 最大限度地发挥政策调控效力, 而且还能填补房地产持有环节税收的缺失, 提高房地产投机成本, 抑制“投机推动型”房地产泡沫的形成。
泡沫结构 篇9
关键词：乳化 (泡沫) 沥青,有限元,拉应变,数值分析
沥青路面再生技术是将道路维修过程中, 由于铣刨、翻挖产生的废旧路面材料进行回收、破碎和筛分, 再加入适当的新集料 (或不加入) 、新沥青、活性填料, 重新拌合、摊铺、碾压, 形成路用性能符合道路结构层次要求的的沥青混合料[1,2,3,4]。我国道路大中修通常做法是将原有路面结构层铣刨, 对剩余半刚性层进行补强, 然后加铺沥青层, 本文拟在铣刨后剩余路面结构层上直接加铺冷再生结构层和沥青面层, 使原有半刚性路面转化成柔性路面, 一方面有利于废旧沥青混合料的回收利用, 另一方面可以提高路面使用寿命, 为今后含有再生长寿路面设计提供一定依据。本文提出的路面结构优化方法和思路为, 在满足各项设计指标和施工可行性要求的前提下, 尽量减少面层厚度, 并在此基础上找到最小再生层厚度, 以实现最大的工程和经济效益。
目前, 我国还没有完善的柔性路面设计方法, 现行《沥青路面设计规范》[5]中的设计指标主要针对半刚性路面, 本文采用大型有限元软件ABAQUS, 建立8结点等参有限元模型, 对乳化 (泡沫) 沥青冷再生混合料进行数值分析, 分析其拉应变设计指标, 为进一步完成含有再生层的柔性路面结构优化设计提供依据。
1 等参有限元分析
沥青冷再生的静模量大于泡沫沥青, 所以同等温度下其动模量也必然大于泡沫沥青, 大量计算表明, 沥青混凝土面层和土基强度一定的情况下, 沥青层底拉应变, 土基顶面压应变随着再生层动态模量的减小而增大, 因此本文采用RAP掺量100%的泡沫沥青混合料的设计参数进行计算偏于安全且具有代表性。原有路面铣刨后, 旧路顶面当量回弹模量根据《公路水泥混凝土路面设计规范》中基层顶面当量回弹模量公式1-6计算。
现行的当量回弹模量换算方法, 首先是将基层和底基层 (或垫层) 两个结构层按当量弯曲刚度换算成单层厚度为hx, 模量为Ex的当量单层结构[6]。
式中，h1、h2是路面基层厚度和底基层（或垫层）厚度；
E1、E2是路面基层和底基层（或垫层）的回弹模量；
DX是路面基层和底基层（或垫层）的当量弯曲刚度。
路基以上两层结构模量转化成单层当量模量后, 三层弹性体系就转化为双层弹性体系, 此时, 按双层弹性体系理论理解的回归公式确定均质的当量回弹模量, 即
式中，
在实际工程问题中, 由于实体模型形状不规则, 采用规则的通用单元很难得到理想的结果。等参元的提出为解决此问题提供了有效的方法, 本文拟采用CPE8R (8节点二次平面应变减缩积分单元) 二维单元。
2 路面结构的数值计算模型
2.1 基本假设
在整个计算中做以下基本假定[7]：
a.各层都由均质、弹性、各向同性材料组成；
b.土基在水平方向和向下方向均为无限, 土基之上各层结构的厚度均为有限, 但水平方向为无限;
c.路面上层表面作用有垂直均布荷载, 在无限远处和无限深处应力及位移均为零;
d.各层之间的接触面为层间完全连续，其上位移完全连续。
路面结构在水平方向和深度方向取其有限尺寸, 应用二维实体单元进行离散处理, 在非对称横断面上完全约束, 对称面上限制垂直于对称面方向的位移, 底部完全约束, 面层表面作为自由面, 不进行任何约束。
2.2 行车荷载
计算荷载采用标准双轮轴载100k N, 胎压0.707MPa。由于实际每个轮胎接触面积的大致形状, 可由一个矩形和两个半圆形组成 (见图1) , 其接触面积为
为方便有限元计算, 接触面积可进一步简化为等宽的单一矩形0.8712L×0.6L (见图2) 。因此接触面积AC可由每个轮胎承受的荷载除以胎压求得[8],
2.3 路面结构
铣刨后旧路面结构层厚度参照北京地区大中修工程钻芯结果选取, 大致分为15cm~45cm;计算得出半刚性路面铣刨后旧路顶面当量回弹模量范围大致为50MPa~400MPa[9]。沥青混凝土层和再生层泊松比取0.25, 旧路结构层视为土基, 泊松比取0.35[10,11]。各结构层设计参数取值见表1。
3 计算分析
假设不同厚度混凝土沥青层和RAP掺量100%泡沫沥青层交叉组合, 运用ABAQUS进行有限元分析计算。以沥青混凝土层层低拉应变为设计指标时, 将计算结果绘制成图3。
从图3可以看出, 只有当沥青混凝土面层厚度为4cm时, 其底面处于受压状态, 压应变随着再生层厚度的增加先增大后减小。通过纵向对比可知, 在不同旧路强度条件下, 当沥青混凝土上面层厚度达到8cm时, 其层底才会出现拉应变。对比相同旧路强度条件下, 沥青层厚度分别10cm、15cm、20cm、25cm、30cm五条关系曲线, 可以看出随着再生层厚度的增加, 面层拉应变逐渐减小, 且减小的速率随着厚度的增加逐渐变小;对比不同旧路强度, 同一沥青混凝土层厚度条件下的关系曲线, 发现随着旧路强度的增加, 面层层底拉应变减小速率亦逐渐变小;再生层厚度大于17cm时, 对于不同旧路强度, 增加其厚度对上面层层底拉应变影响很小, 可见, 在进行道路改建设计时, 不宜通过过分增加再生层厚度来改善路面变形状况。
4 结论
数值分析的精确程度, 依赖于本构模型的真实性、边界条件选取的合理性, 以及计算参数选取的准确性等[12]。本文通过对ABAQUS自带的单元、网格、材料进行分析处理, 针对含有乳化 (泡沫) 沥青冷再生结构层的沥青路面结构, 建立了8结点等参单元有限元模型。其结果能相对真实反映沥青混凝土层底拉应变变化现象和规律, 可以为沥青路面整修提供依据。在对大中修路面结构进行力学分析, 以沥青层底拉应变为设计指标, 针对不同旧路路面强度, 在满足各项指标要求的前提下, 不宜设置较厚的再生层。
参考文献
[1]肖杰.乳化沥青冷再生混合料设计方法与使用性能研究[D].长沙:湖南大学, 2007.
[2]TIA M, WOOD L E.Use of Asphalt Emulsion and Foamed Asphalt in Cold-recycled Asphalt Paving Mixtures[J].Transportation Research Record, 1983, 898:315-321.
[3]董泽蛟, 谭忆秋, 曹丽萍.乳化沥青冷再生混合料的室内设计与性能评价研究[J].公路交通科技, 2006, 23 (2) :43-47.
[4]GIULIANi F.X-ray Diffraction Method for Studying CementModified Bitumen:Emulsion Mixtures in Asphalt Pavement Cold Recycling[R].Vermont South, Victoria, Spain:ARRB Group Limited, 2001.
[5]JTJ 0140-97, 公路沥青路面设计规范[S].
[6]蒋应军, 侯传岭, 秦宪峰等.基层顶面当量回弹模量换算新方法[J].公路交通科技, 2005, 22 (5) :38-42.
[7]张亚军, 李春雷, 黄晓明等.基于有限元的半刚性基层沥青路面裂缝断裂力学分析[J].中南公路工程, 2007, 32 (3) :102-105.
[8]王宏畅, 黄晓明.高等级沥青路面基层底裂缝三维数值分析[J].公路交通科技, 2005, 22 (12) :1-4.
[9]李秀君, 拾方治.乳化沥青冷再生路面结构力学分析[J].公路交通科技, 2012, 29 (11) :30-34.
[10]TG F41-2008, 公路沥青路面再生技术规范[S].
[11]王海峰.乳化沥青混合料冷再生技术研究[D].长沙:长沙理工大学, 2008:42.
泡沫结构 篇10
对于现在应用越来越广泛的轻质夹层垫层材料,其应力松弛性能是衡量其力学性能的重要指标之一。在众多的影响因素中,发泡材料的微孔大小和结构分布是对其性能的决定因素,为此,本方法针对泡沫泡孔结构与压缩应力松弛性能的相关性进行了较为深入的研究和相关机理探索。
1 实验部分
1.1 主要原材料
聚二甲基乙烯基硅氧烷(VMQ),粘均分子量Mη=62万,GE公司生产;过氧化二苯甲酰(BPO),分析纯;过氧化二异丙苯(DCP),化学纯;白炭黑SiO2,T36-5,沉淀法,吉林双龙化工公司产品;氧化锌晶须(ZnOw),成都交大晶宇科技有限公司产品。
1.2 基本配方
VMQ:100份,SiO2 15～45份,BPO:0.05～0.5份,DCP:0.5～2.5份,AK:2～12份,ZnOw 5～30份。
1.3 主要设备仪器
开放式炼塑机:SK-250,无锡市第一橡塑机械设备厂;模压成型机:YX-50,上海伟力机械厂;电磁平板硫化机:XLB-DC-600×600-2A,株洲时代机电设备有限责任公司生产;电子万能试验机:CMT-7105,珠海三思计量仪器有限公司;扫描电镜:JSM-5900,日本电子JEOL公司。
1.4 硅橡胶泡沫材料的制备
首先,在捏合机中,将硅橡胶生胶、补强白炭黑、结构控制剂等在一定温度下混合均匀并抽真空,后打卷停放。制备时在开放式炼胶机中依次加入硫化剂、发泡剂及其它助剂,在辊距1～2mm下薄通10～15遍,按照模具尺寸出片,经过一次和二次纯化学方法进行硫化发泡成型,进行毛坯切片并测试其相关力学性能。
1.5 性能测试
压缩应力松弛性能测试:将发泡硫化成型后的泡沫坯切成2mm厚的片材,用标准裁刀65mm×12mm×2mm进行裁片,测试横梁速度1.5mm/min,测试温度为室温,环境湿度为70%。
常规力学性能测试:将制得的样品用CP-25型冲片机切成哑铃形状,在CMT-7105型万能电子材料实验机上以500mm/min速度测定,计算其拉伸强度和断裂伸长率。
2 结果与讨论
2.1 硅橡胶发泡材料密度的测定
密度是发泡硅橡胶材料的一个重要性质,本研究采用液体取代法来测定发泡橡胶密度(ρ),计算方法如下式[1]:
ρ=ρ1m1/(m3-m2) (1)
式中:ρ1:液体的密度;m1:空气中测量的干燥试样质量;m2:液体中测量的试样质量;m3:空气中测量的浸湿试样质量。
2.2 ZnOw对硅橡胶发泡材料泡孔疏密程度的影响
硅橡胶泡沫材料的泡孔平均尺寸和平均间隙均采用扫描电镜照相,采用3个平面的平均泡孔间隙来表示泡孔的疏密程度。
在所研究的体系中加入具有独特三维立体针状结构的ZnOw,以期来增强硅橡胶基体和改善硅橡胶泡沫的泡孔结构,从而优化泡孔的大小和分布,可以有效控制最终泡沫的泡孔结构和分布,达到降低泡沫材料应力松弛性能的目的。在基本配方不变的基础上,通过改变体系中ZnOw的用量来改善泡孔大小和结构,并做硅橡胶发泡材料微孔疏密程度对ZnOw用量的关系曲线,如图1所示。
从曲线可明显看出,随ZnOw在体系中用量的增加,泡孔间隙减少,即微孔更加密集。在实际发泡过程中,每个ZnOw可以看作是一个微孔的成核点,在发泡剂分散均匀的前提下,随ZnOw用量的增加,单位体积内成核点的数量也就越多,成核点之间的距离就越近,硅橡胶发泡材料的泡孔也就更密集[2]。
2.3 泡孔疏密程度对硅橡胶泡沫材料力学性能影响
采用泡孔疏密程度来间接表征泡沫泡孔的平均尺寸,泡沫试样的拉伸强度和扯断伸长率随泡沫泡孔平均尺寸的变化曲线如图2和图3所示。
从图2和图3可知,试样的拉伸强度和拉伸伸长率均随泡孔结构疏密程度的增大而增加。在所研究发泡体系中,随泡孔结构疏密程度的增大,泡孔越大,泡孔尺寸就越大,孔径分布就越宽,在发泡材料中橡胶本体的相对连续程度增加,故试样的拉伸强度就越好。从试样在拉伸过程中的受力分析同样可以得到同样的解释,随微孔尺寸增大和孔径分布的加宽,单个泡孔在受到拉伸作用时,就可有效把承受的应力分散到泡孔周围的橡胶本体中,宏观表现为泡沫材料的强度很好。
2.4 泡沫材料密度对压缩应力松弛性能的影响
泡沫压缩应力松驰性能随材料密度的变化见图4。
由图4可知,硅橡胶泡沫材料的压缩应力松弛性能随材料密度的增加先下降,达到最低点后又呈增大趋势,出现最佳压缩应力松弛性能的材料密度范围在0.56～0.58g/cm3区间,这对于所研制的轻质夹层材料的性能选择是具有很好的简易基准。在材料密度相对低的情况下,当硅橡胶泡沫受到外力压缩时,其密集的泡孔结构在不足以有效分散所受外应力,或者在应力逐渐加载的过程中而产生破坏,从而使压缩应力松弛增加。反之,在材料密度较高的情况下,当泡沫材料受外应力作用时,分散的泡孔结构可以有效把应力分散到周围的橡胶本体材料上,这样就使橡胶本体承受的应力得到较大数值的增加,从而增加分子链间的作用力,使分子链在受外力作用下来不及回复就产生较大的相对位移,从而产生应力驰豫,从宏观上材料发生蠕变使压缩应力松弛性能变差。
2.5 孔径混合结构对泡沫压缩应力松弛性能的影响
从图5的泡孔SEM图片对比可知,随ZnOw在体系中用量的增加,泡沫材料的微孔尺寸呈减少趋势,亦即泡孔的疏密程度在增加,即微孔的密集度在加强。这是由于随ZnOw用量的增加,体系中以其为发泡成核中心的数量也在增多,就使泡孔的孔径尺寸降低和泡孔密集程度增加。
同时,在相对密度不变的条件下,研究了不同泡孔大小和结构特征对硅橡胶泡沫材料压缩应力松弛性能的影响规律,如图6所示。
从图7可明显看出,混合泡孔结构的泡沫,其压缩应力曲线的弹性段陡峭,表明其压缩应力松弛性能更好。
同时,由图7和图8可以看出两个明显的特征:(1)在较大泡孔结构上面还存在和穿插有小的泡孔结构,(2)在泡孔壁上有ZnOw。这些结构特征对泡沫材料的压缩应力松弛性能有优化和改善作用。
可见,当较少量的小孔分布在大量的大孔之间时,这样的混合泡孔形式可使泡沫材料的微孔结构得到更好的优化。在采用ZnOw晶须作为添加剂对泡孔结构的优化中,一方面其特殊的四棱形结构分别插入到硅橡胶基体材料中,可以起到增强基体硫化胶的目的,消除不同组分混合所带来的相容性问题。另一方面,在泡沫材料的工艺过程中,ZnOw的存在可以作为成核剂的作用,形成具有大小不等和相互穿插结构的混合泡孔结构[3]。
2.6 硅橡胶泡沫材料压缩应力松弛性能
本研究的泡沫材料用于某特殊装置的夹层垫层材料,应力松弛性能是衡量其力学性能的重要指标[4]。对于硅橡胶泡沫垫层材料,它的工作状态始终是处于压缩状态的,所以针对它在承重压缩状态下的力学性能进行研究。硅橡胶泡沫材料的压缩应力松驰性能见图9。
由图可知,随时间的延长,应力值逐渐减少,然后趋于一个较为稳定的值。反映出良好的抗应力松弛性能。
3 结 论
硅橡胶发泡体系随ZnOw用量的增加,泡孔间隙减少,微孔更加密集。硅橡胶泡沫的拉伸强度和拉伸伸长率均随泡孔结构疏密程度的增大而增加。材料密度在0.56～0.58g/cm3区间范围内,硅橡胶泡沫材料的压缩应力松弛性能最佳。在相对密度不变的条件下,具有混合泡孔结构的泡沫其压缩应力松弛性能更好。
摘要：研究了氧化锌晶须对硅橡胶泡沫泡孔疏密程度以及其对材料力学性能的影响,研究了泡沫密度和混合泡孔结构对材料的压缩应力松弛性能的影响。结果表明:随氧化锌晶须用量的增加,泡孔疏密程度在增大,硅橡胶泡沫材料拉伸强度和扯断伸长率也在变大。在硅泡沫密度0.560.58g/cm3范围内,材料的压缩应力松弛性能最佳。在相对密度不变的情况下,具有混合泡孔结构的硅橡胶泡沫材料的压缩应力松弛性能更好。同时,对压缩应力松弛性能的历程进行了探索。
关键词：硅橡胶泡沫,泡孔结构,压缩应力松弛性能,氧化锌晶须
参考文献
[1]刘畅,孙广平,迟剑锋,赫连青军.发泡橡胶的微孔结构对其性能的影响[J].华东理工大学学报(自然科学版),2006,32(2):201-204.
[2]丁国芳,张长生,贺传兰,石耀刚,罗世凯,王建华.氧化锌晶须在纯化学发泡制备硅橡胶泡沫中的应用研究[J].化工新型材料,2007,35(10):75-77.
[3]刘占芳,励凌峰,胡文军,蒋荣峰.泡沫硅橡胶的多孔超弹性模型[J].重庆大学学报,2001,24(4):12-16.