三维五向石英/环氧复合材料的热传导性

为了给三维编织复合材料在热传导方面的设计应用提供必要的依据,以石英纤维和环氧树脂为原料,制备三维五向石英/环氧复合材料,通过瞬变平面热源法测量复合材料的导热系数,分析纤维体积分数、编织角和不同减纱方法对复合材料轴向及径向热传导性能的影响.结果表明:三维五向编织复合材料的热传导性能沿着轴向和径向呈现出各向异性;其轴向导热系数随着纤维体积分数增大而增大,随着编织角增大而减小;其径向导热系数随着纤维体积分数和编织角的增大而增大;减纱会降低三维复合材料的热传导性能,与减纱线细度、分散减列相比,集中减列的影响最明显,轴向和径向导热系数分别降低了3.2%和3.0%.     

纤维分布与界面强度对复合材料横向压缩性能影响分析

建立了纤维随机分布代表性体积单元微观力学模型,采用随机扩张算法生成纤维随机分布模型,微观有限元模型中采用内聚力单元和Drucker-Prager弹塑性准则分别对界面和基体的力学行为进行描述,分析研究了纤维分布形式与界面强度对复合材料横向压缩性能的影响。结果表明纤维随机分布是引起复合材料横向压缩强度不稳定的一个因素;基体剪切塑性损伤而不是界面损伤在复合材料横向压缩破坏过程中起主导作用,因而采用无界面单元模型可以简化建模、不需要考虑界面强度取值,并能很好地预测复合材料横向压缩强度与压缩损伤破坏形貌。     

碳/环氧面内准各向三维复合材料的动态压缩性能

利用置换法三维织物非织造技术结合树脂传递模塑(RTM)工艺,制备了碳/环氧面内准各向三维复合材料和三维正交复合材料.采用岛津万能材料试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统,对复合材料进行了面内和厚度方向的准静态及动态压缩性能试验,研究了碳/环氧面内准各向三维复合材料不同应变率下的压缩应力-应变关系以及破坏模式.对比分析结果表明:无论面内还是厚度方向,碳/环氧面内准各向三维复合材料的压缩性能都是应变率敏感的,并且其破坏应力和应变的应变率敏感程度大于三维正交复合材料;在面内和厚度方向准静态压缩载荷作用下,面内±45°纱线有效地抑制了面内准各向三维复合材料剪切带的形成和扩展,使得脆性破坏形貌更加均匀;随着应变率增加,面内准各向三维复合材料面内方向以剪切破坏为主,断口比三维正交复合材料粗糙,厚度方向二者破坏模式相同.     

基于热阻网格法的正交三向复合材料导热系数预测模型

为预测复合材料导势系数,基于热阻网格法的求解思想,建立正交三向结构石英纤维增强复合材料在经纱、纬纱、Z向纱方向上的等效热传导系数预测模型;通过树脂传递模塑(RTM)工艺,设计并制备了不同工艺参数(纱线细度、经纬纱密度和纤维体积含量)的正交三向石英纤维增强环氧树脂复合材料,采用热常数分析仪以瞬态热源法对复合材料在3个方向上的导热系数进行测试,对本文预测模型进行验证。结果表明:与实测值相比,经纱、纬纱、Z向纱3个方向上的导热系数预测值平均误差分别为5.59%、7.81%和4.21%,均在10%以下,说明该模型的预测精度符合要求,可用于正交三向石英纤维增强复合材料的导热系数预报。     

基于比等效热阻法的片状填料填充聚合物复合材料的导热性的预测

基于比等效热阻法建立了简化了的片状填料填充聚合物基复合材料的导热模型并推导出了相应的等效导热系数公式。以云母片填充聚乳酸为例,应用有限元软件ANSYS建立了云母体积分数在11％下的聚乳酸/云母复合材料的三维稳态热传导单元模型,并模拟了热流沿云母片厚度方向和径向传递的过程。结果表明,当热流沿云母片轴向方向上流动时,经ANSYS模拟求得的复合材料的等效导热系数和文中推导的公式的所给出的预测值更为接近;当热流沿云母片的径向流动时,随着云母体积分数的增加,复合材料的等效导热系数的预测值呈指数性增长,并且高于ANSYS的计算结果。有限元结果和本文的公式均表明,片状填料填充聚合物复合材料的等效导热系数可分解为是沿热流不同正方向上的贡献,更长的等效导热路径使片状颗粒在填充聚合物后能提供更为出色的导热性能。     

基于比等效热阻法的片状填料填充聚合物复合材料的导热性的预测

基于比等效热阻法建立了简化了的片状填料填充聚合物基复合材料的导热模型并推导出了相应的等效导热系数公式。以云母片填充聚乳酸为例,应用有限元软件ANSYS建立了云母体积分数在11%下的聚乳酸/云母复合材料的三维稳态热传导单元模型,并模拟了热流沿云母片厚度方向和径向传递的过程。结果表明,当热流沿云母片轴向方向上流动时,经ANSYS模拟求得的复合材料的等效导热系数和文中推导的公式的所给出的预测值更为接近;当热流沿云母片的径向流动时,随着云母体积分数的增加,复合材料的等效导热系数的预测值呈指数性增长,并且高于ANSYS的计算结果。有限元结果和本文的公式均表明,片状填料填充聚合物复合材料的等效导热系数可分解为是沿热流不同正方向上的贡献,更长的等效导热路径使片状颗粒在填充聚合物后能提供更为出色的导热性能。     

三维四向编织复合材料弯曲性能的预测

基于经典层合板理论和叠层板模型，提出了一种预测三维四向编织复合材料弯曲性能的方法。在叠层板模型中，代表性体积单元的厚度为编织复合材料的整体厚度，宽度为一个编织花节宽度，长度为一个编织花节长度，并简化为具有不同材料主方向的单向层板的叠合结构。不同层板问的交叉重叠按各层板性能的体积平均进行简化，同时假设代表性体积单元具有均匀的中面应变和曲率。此外，模型中考虑了编织纱线的排列方式以及表面纱线的影响。理论分析结果与实验值吻合较好。     

用有限元法对CF/PPEK热塑性复合材料等效模量计算

碳纤维增强杂萘联苯聚醚酮(CF/PPEK)是一种新型高性能热塑性复合材料.根据复合材料细观结构周期性假设,隔离出复合材料的代表性体积元———RVE(representative volume element).基于能量等效的原理,通过对RVE施加简便的边界载荷和恰当的边界条件,运用细观力学有限元法,采用有限元软件Ansys计算了复合材料的等效弹性模量.理论计算及试验结果表明该方法能够较好地预测此种复合材料的宏观弹性性能.     

先进碳纤维复合材料在惯性领域中的应用

阐述了惯性导航系统(简称"惯导系统")在轻质化、小型化的发展趋势背景下,对轻质结构材料的应用需求。根据惯导系统的特殊要求,以三维编织碳纤维/双马来酰亚胺复合材料作为系统外壳材料,对复合材料零件的纤维编织方式、纤维体积含量等进行了设计计算,对零件力学性能进行了仿真分析,最后筛选出符合使用要求的工艺方法,并制备出了满足力学使用要求的碳纤维复合材料零件。     

单向不连续CF／PEEK复合材料细观力学行为分析

采用有限元模拟技术，研究了单向不连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的细观弹塑性力学行为，分析了纤维端部的不连续性对复合材料中纤维与纤维、纤维与周围基体相互作用以及应力场变化的影响。在有限元计算中，引入了一个单胞模型和相关的边界条件。此外，利用体积平均法预测了在外载荷作用下单向不连续碳纤维增强复合材料的弹塑性应力-应变关系。     

聚丙烯纤维增强陶瓷模型石膏性能及机理研究

系统研究了聚丙烯纤维体积掺量（Vc）及长径比（l/d）对陶瓷模型石膏工作性能、力学行为、软化系数、弯曲韧性及吸水性能的影响。研究表明：l/d≦600,Vc≦0.88kg/m-3范围内石膏浆体工作性能良好,长径比、掺量增加,浆体流动性变差,凝结时间小幅缩短;石膏硬化体力学性能受纤维影响显著,两因素增大,软化系数、弯曲韧性增强;抗折强度随纤维长径比增大而降低,l/d≦600时,掺量增加,抗折强度呈抛物线变化,继续增大长径比,强度逐渐降低。最佳纤维参数为l/d=400,Vc=0.88kg/m-3;SEM及孔结构微观机理分析表明：聚丙烯纤维综合改善模型石膏性能效果显著,纤维与石膏界面结合强度及在石膏基体中的分散程度是影响纤维-石膏复合材料性能的主要因素。     

新型复合材料几何结构对宏观力学性能的影响

采用有限元法,建立了有关的单胞模型和相关的边界条件。并着重研究了复合材料的几何结构参数与单向不连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的细观弹塑性应力应变的关系,分析了纤维重叠比、纤维端部的不连续性对复合材料弹性模量和应力集中系数的影响。     

电导率线性变化直流电测深三维有限单元法正演模拟

为模拟电导率线性变化的地电模型,进行了水平大地电导率线性变化直流电测深三维有限单元法正演模拟。采用六面体单元剖分,电导率和电位在单元内线性变化,推导出齐次边界条件下有限单元法系数矩阵。采用异常电位法进行计算,提高了电源点附近的计算精度。利用改进的对称超松弛预条件共轭梯度（ＳＳＯＲＰＣＧ）进行线性方程组求解,与一维水平层状电导率线性变化模型滤波算法对比,最大相对均方差小于０.３８％。对二维不连续垂直分界面模型、均匀大地中的三维低阻体模型进行了电阻率测深正演计算,验证了本文方法的有效性。     

短纤维增强金属基复合材料弹性模量临界值计算预测

基于短纤维增强金属基复合材料弹性模量理论模型,提出了弹性模量临界值的定义,并建立了可用于预测计算的纤维临界长径比和材料参数之间的解析函数。将与曲线拐点切线和最大值水平直线交点相对应的长径比值定义为纤维临界长径比,将与此相对应的函数值定义为弹性模量临界值。计算结果表明,纤维临界长径比随纤维弹性模量的增加而增加,随基体弹性模量和纤维体积分数的增加而降低。     

含微裂纹三维多向编织复合材料热膨胀系数细观力学分析

将三维编程复合材料的纤维束和微裂纹分别看作圆柱型和圆币型夹杂,考虑了微裂纹的任意取向和增强纤维束的空间取向,采用等效夹杂法对含微裂纹的三维多向编织复合材料的热膨胀胀系数进行了细观力学分析,提出了预报含微裂纹三维多向编织复合材料热膨胀系数的方法,由于直接考虑了微裂纹的任意取向和增强纤维的空间取向,这种方法既可应用于一般含微裂纹的三维编程复合材料,也可应用于单向纤维增强复合材料,结合实例分别预报了单向增强复合材料和四向编程复合材料的热膨胀系数,与实验结果吻合较好。     

开裂混凝土有效导热系数研究:三维模拟与试验验证

为了研究非均质混凝土的热传导行为,考虑混凝土内部结构的非均质性及材料热工参数的温度相关性,将混凝土视为骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,建立二维/三维随机骨料细观数值模型.在模型中,砂浆与骨料热工参数的温度相关性通过拟合现有文献试验数据获得,界面过渡区的参数则通过与试验结果对比反演得到.基于此,对混凝土热传导行为进行了细观有限元模拟.模拟结果与试验结果吻合良好,从而说明了该数值方法的合理性与准确性.模拟结果表明：考虑材料热工参数的温度相关性,可以更准确地预测混凝土的宏观有效导热系数（effective thermal conductivity,ETC）及温度场;骨料形状对有效导热系数的影响可忽略,而由于导热系数的差异,骨料类型的影响应该予以考虑;混凝土有效导热系数随骨料体积分数增大而增大,随温度升高而降低.

     

基于聚苯并噁嗪/氮化硼三维骨架的导热环氧树脂复合材料的制备与性能

针对导热复合材料中填料含量过多会导致力学等性能下降以及三维导热骨架中黏合剂与树脂基体相容性差的问题,本文采用牺牲盐模板法,制备了基于聚苯并噁嗪/氮化硼(PPH-ddm/BN)三维导热骨架,进一步与环氧树脂(epoxy, EP)复合,得到了环氧树脂/聚苯并噁嗪/氮化硼(EP/PPH-ddm/BN)复合材料。当BN质量分数为19%时,复合材料的导热系数为1.01 W·m^-1·K^-1,比纯环氧树脂提高了381%。归因于三维导热网络的形成以及聚苯并噁嗪和环氧树脂间良好的相容性,降低了氮化硼与树脂基体的界面热阻。骨架碳化后,环氧树脂/碳/氮化硼(EP/C/BN)复合材料的导热系数最高可达1.38 W·m^-1·K^-1,比纯环氧树脂提高了557%,为目前相同BN含量下聚合物基复合材料的最高值。复合材料的硬度与弯曲强度随BN含量增加而提高,相关研究为发展填料含量较低的热管理材料提供了新思路。     

泡沫金属有效导热系数的数学模型

通过修正Kelvin提出的十四面三维结构作为金属泡沫的几何模型,利用数值求解几何模型内的稳态傅里叶导热方程,文中提出了泡沫金属的有效导热系数的数学模型.首先,利用实验数据修正了十四面体节点与骨架半径随孔隙率的变化关系.然后,把泡沫金属分成4层,利用数值模拟确定了每层有效导热系数的计算式.最后,基于Fourier定律,建立了泡沫金属的有效导热系数.研究结果表明:文中提出的模型计算泡沫金属有效导热系数与实验值的误差都在±10%之内.本文的研究结果,对于泡沫金属的热力设计和应用具有很好的指导意义.     

不同层数三维角连锁织物增强复合材料隔声性能探讨

以玻璃纤维为原料,设计出5种不同层数三维角连锁织物组织结构,经半自动SGA598小样织机设备织制,利用真空辅助成型工艺制成复合材料。分别从厚度、面密度、纤维体积分数三个方面分析了不同层数三维角联锁织物增强复合材料的隔声性能。     

基于单胞数字化模型的三维编织复合材料本构关系数值模拟

在渐近均匀化理论基础上，确立了基于单胞数字化模型的复合材料宏观等效弹性性能的三维数值分析方法（DCB—FEA）．该方法采用三维光栅化技术将三维单胞模型转化为三维光栅图形（数字化模型），并将光栅图形直接转化为三维有限元求解网格，产生的离散单元具有相同的几何尺寸和规则的形状，单元刚度矩阵的数量将减少为单胞材料的个数．此外，单胞数字化模型仅需记录每个离散单元的材料种类，其他参数如单元节点编号、节点坐标等均可在求解过程中自动生成，周期性边界条件也可以自动施加．随着分辨率的提高，单胞数字化模型将产生更多数量的单元，特别是对于三维单胞模型，集成整体刚度矩阵时需要大量的计算机内存．采用基于Element-by-element策略的预处理共轭梯度法（EBE—PCG），有限元方程的求解在单元级上进行，避免了整体刚度矩阵的集成．通过对三维编织复合材料的线弹性本构关系的数值模拟，表明该方法可得到较为准确的复合材料等效模量。