【stem课程二】低温环境下新型建筑材料的探究

• 南极‘泰山站’建成，使用的耐低温材料非常昂贵，大范围使用有一定的难度，有没有一种建筑材料，在低温下坚固而稳定而且价格低廉,本课题带你去研究一番

• 其它：分析课题的探究过程

• 第一阶段
• 1. 概述
• 2. 分析课题的探究过程
• 第二阶段

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我想研究什么？

小天

今天新闻联播播报新闻：中国南极“泰山站”终于建成。文章介绍到他的主材采用耐低温的09MnNiDR特种钢，使用寿命15年，适合常年年均温度仅-36.6℃的南极。

小天

然而这种材料十分昂贵，若想大范围的应用在南极有一定的难度。是否能有一种在低温下坚固稳定而又价格低廉的建筑材料呢？

课题的背景研究

小天

我在智库中寻找了很久，终于发现了一种新型的低温材料：派克瑞特 (Pykrete)！这种材料是由14%的木屑和86%的水(重量比)构成，低温时具有较高的强度，甚至可以防弹！

能在时事新闻中发现当前科技的不足，并乐于钻研下去，很值得鼓励！

张博

设计研究目标与方案

小天

首先我要学习如何制作派克瑞特材料，并如何测量他的抗压性与抗折性。在此的基础上，观察派克瑞特材料的主要特性，并找到可以尝试的控制变量，来分析不同特性组合材料对派克瑞特抗压性与抗折性的影响。

课题的假设与目标，可以概括为：

通过压力测试，宏观上研究派克瑞特——一种复合材料的特性，并进一步研究派克瑞特的组分配比对其材料特性的影响。

张博

派克瑞特材料的制作步骤记录

小天

查阅了很多资料之后，确定了派克瑞特材料的制作方法。并掌握了如何对建筑材料进行重要的抗压与抗折实验。

下面就是我的凯克瑞特才来的制作步骤记录。

01

将木屑材料倒入混合容器中

02

导入配比好的凝胶

03

将尚未凝固的派克瑞特材料填入抗压强度国际模具中

04

将尚未凝固的派克瑞特材料填入抗折强度国际模具中

05

记录派克瑞特的抗压载荷-位移曲线

06

派克瑞特的抗折载荷-位移曲线

实验结论

抗压强度为12.25MPa (40.8%于混凝土)

抗折强度为 4.86 MPa (108% 于混凝土)

会学、会做、会思考。

制作流程思路很清晰。

张博

改进实验：纤维改性方案等

小天

在论文中我读到：纤维长度决定了复合材料的性能。因此在改进实验中，我首先对纤维长度进行了调整：使用了纤维更长的报纸替代木屑进行实验。

改进实验一纤维改性方案的实验结论：

冰冻报纸的抗压强度为混凝土的73%，有所下降

抗折强度是混凝土的170%，有大幅提高

小天

在得到了纤维长度对派克瑞特材料影响的结论之后，我又进行了如下实验：

相同纤维长度下的，不同凝胶配比制作出的派克瑞特的抗压性与抗折性实验，并得出了有效的实验结果。

实验思路清晰、控制变量妥当、结果准确。

*因部分数据尚未发表论文，不便于全部公开，请见谅。

张博

改进实验：纤维改性方案等

小天

1.本实验为低温环境下的建筑领域提供一种新型复合材料，可以作为低温冷藏实验室的内壁建材，低温保险柜，极地严寒环境的土木工程建设等。

2.利用纤维改性和凝胶改良等方法提高了其力学强度，为材料的不断改进打下了良好的基础。

该课题目前做了宏观意义上的研究。若未来能做到微观上，研究复合材料的性质，就更棒了！

张博