防隔热一体化TPS材料制备及耐高温性能

为满足高速飞行器大面积热防护(≥1500℃)需求,以耐高温氧化铝纤维增强气凝胶复合材料作为隔热层,碳纤维织物为面板层预制体,通过法向针刺穿刺工艺以及先驱体浸渍裂解工艺,制备防隔热一体化TPS材料,并开展耐高温性能测试研究,为材料的工程化应用提供理论与技术支持。结果表明：采用针刺穿刺缝合技术与PIP工艺可以制备防隔热一体化TPS材料,整体性较好,无明显的缺陷,密度仅为0.6 g/cm³。C/SiC复合材料在高温氧化环境中使用,氧化性气氛通过孔隙与裂纹等缺陷扩散进入材料内部,与碳纤维发生氧化反应,导致复合材料性能的下降。材料具有优异的耐高温性能,材料的质量烧蚀率为0.051 g/s,线烧蚀率为0.077 mm/s;未出现显著的间隙结构,整体无明显收缩,呈现出较好的耐高温性能。     

防隔热一体化TPS材料制备及耐高温性能EI

为满足高速飞行器大面积热防护(≥1500℃)需求,以耐高温氧化铝纤维增强气凝胶复合材料作为隔热层,碳纤维织物为面板层预制体,通过法向针刺穿刺工艺以及先驱体浸渍裂解工艺,制备防隔热一体化TPS材料,并开展耐高温性能测试研究,为材料的工程化应用提供理论与技术支持。结果表明:采用针刺穿刺缝合技术与PIP工艺可以制备防隔热一体化TPS材料,整体性较好,无明显的缺陷,密度仅为0.6 g/cm^(3)。C/SiC复合材料在高温氧化环境中使用,氧化性气氛通过孔隙与裂纹等缺陷扩散进入材料内部,与碳纤维发生氧化反应,导致复合材料性能的下降。材料具有优异的耐高温性能,材料的质量烧蚀率为0.051 g/s,线烧蚀率为0.077 mm/s;未出现显著的间隙结构,整体无明显收缩,呈现出较好的耐高温性能。     

防隔热一体化TPS材料制备及耐高温性能EI北大核心

为满足高速飞行器大面积热防护(≥1500℃)需求,以耐高温氧化铝纤维增强气凝胶复合材料作为隔热层,碳纤维织物为面板层预制体,通过法向针刺穿刺工艺以及先驱体浸渍裂解工艺,制备防隔热一体化TPS材料,并开展耐高温性能测试研究,为材料的工程化应用提供理论与技术支持。结果表明:采用针刺穿刺缝合技术与PIP工艺可以制备防隔热一体化TPS材料,整体性较好,无明显的缺陷,密度仅为0.6 g/cm^(3)。C/SiC复合材料在高温氧化环境中使用,氧化性气氛通过孔隙与裂纹等缺陷扩散进入材料内部,与碳纤维发生氧化反应,导致复合材料性能的下降。材料具有优异的耐高温性能,材料的质量烧蚀率为0.051 g/s,线烧蚀率为0.077 mm/s;未出现显著的间隙结构,整体无明显收缩,呈现出较好的耐高温性能。     

碳-高硅氧纤维增强C-SiC防热隔热一体化材料

制备了一种新型的防热隔热一体化材料碳高硅氧纤维增强C-SiC复合材料，沿厚度方向从抗烧蚀层渐次过渡到隔热层，其组成依次是致密C／C—SiC，致密C／C，多孔C／C，通过界面处过渡到变密度多孔HSF／C．这种材料既具有抗烧蚀性能又具有隔热性能．C／CSiC复合材料的烧蚀表面平滑，线烧蚀率只有0．028mm／s．烧蚀性能的提高得益于SiC颗粒原位氧化生成SiO2黏附在碳材料表面，对氧气有一定的阻挡遮蔽作用。密度为0．80g／cm^3的HSF／C材料，热导率为0．59W／mK．在碳纤维与高硅氧织物的界面处，针刺纤维与热解碳的结合良好，密度为1．69g／cm^3的C—HSF／C复合材料界面处的剪切强度达到16．7MPa．     

硅酸铝纤维/酚醛树脂复合材料高温隔热性能研究

目的考察硅酸铝纤维/酚醛树脂复合材料的烧蚀性能、高温隔热性能,同时寻求一种有多重不同隔热材料的密闭体系在高温环境下含有化学热效应的热传导过程的数值解决方法。方法将硅酸铝纤维/酚醛树脂层压复合材料用于密闭体系隔热,利用酚醛树脂高温热分解吸热的特性实现材料主动抗高温隔热的目的。用2 cm厚的硅酸铝纤维/酚醛树脂板材考察其烧蚀隔热性能。制备多层隔热材料的密闭体系进行火烧试验,火烧试验过程测试耐高温隔热材料背面温度以考察材料的隔热情况。对密闭体系包含化学热的多重隔热体系作出"等效热效应"的假设,建立体系的偏微分方程热传导模型,利用Matlab软件对模型进行数值求解,通过数值求解结果与试验测试温度的对比,验证计算结果的准确性。结果 2 cm厚的硅酸铝纤维/酚醛树脂复合材料在敞开体系经120 min单面烧蚀,其背面温度保持在140℃以下且无破坏痕迹;火烧试验中测得的无机耐高温隔热材料热分解吸热延长了其热穿透时间,密闭体系热传导模型数值解与试验结果最大偏差为37%。结论硅酸铝纤维/酚醛树脂复合材料具有良好的耐烧蚀和高温隔热性,热等效假设在解决具有化学热效应的隔热体系的传热问题具有合理性和实用性。     

共注射RTM成型一体化复合材料的热传导分析

依据已制备的碳环氧/泡沫/碳酚醛一体化复合材料结构,通过合理简化,建立了一体化复合材料结构热传导有限元模型.计算了指定热载荷条件下一体化复合材料结构内部温度分布,讨论了防热层厚度、隔热层厚度、隔热层热导率对一体化复合材料温度分布的影响.选用气凝胶复合材料为夹芯材料,计算得到了满足指定热载荷条件的隔热层的最小厚度,为以气凝胶复合材料为夹芯材料一体化复合材料热设计提供了依据.     

高强度-中密度纳米孔树脂基防隔热复合材料的制备与性能

针对新一代航天器长时防隔热-高气动剪切的防热需求,以杂化酚醛树脂为基体、纤维布/纤维网胎逐层针刺结构为增强体,通过溶胶-凝胶工艺,制备出一种中密度-高强度-防隔热一体化的纳米孔树脂基复合材料(IPC-90),系统研究了石英纤维(QF/IPC-90)和碳纤维(CF/IPC-90)对复合材料的微观结构、力学性能、静态隔热和烧蚀性能的影响,探讨了其在低-中-高温度下的烧蚀机制。结果表明：纤维布的引入使IPC-90具有优异的力学性能(拉伸曲强度>120 MPa,弯曲强度>90 MPa);纳米孔基体和纤维网胎的引入使IPC-90在中密度(～0.95 g/cm³)下具有较低的热导率(室温热导率依次为0.089 W/(m·K)和0.120 W/(m·K))。在1 000℃静态隔热试验中,两种材料均展现了较好的热稳定性和抗氧化性,其等效热导率分别为0.142 W/(m·K)和0.186 W/(m·K)。在2 000℃以下氧-丙烷烧蚀试验中,QF/IPC-90和CF/IPC-90的烧蚀主要由基体热解、炭化收缩引起,其1 600℃下的线烧蚀率依次为0.0208 mm/s和...     

轻质复合材料高温隔热性能

设计了一套隔热材料高温(>1200℃)隔热效果的测试装置, 可对隔热材料进行快速、 低成本的有效测试和筛选。采用本装置在材料热面中心温度为1600℃±10℃时, 考察了碳/酚醛复合材料和ZrO₂纤维板材料背部升温历程, 评价了2种材料的隔热性能, 并采用有限差分法数值模拟了ZrO₂纤维板材料背部升温历程, 预测其有效导热系数。研究表明, 在加热初期400s时间内, 碳/酚醛复合材料的隔热性能优于ZrO₂纤维板的隔热性能, 后期则相反; ZrO₂纤维板的隔热性能与体积密度有关, 有效导热系数随温度升高而非线性地增大。      

超细玻纤环氧复合材料的隔声与隔热性能

以超细玻璃纤维绵和环氧树脂为原料,制备了含量不同的超细玻纤环氧复合材料。由于超细玻璃纤维的引入,对入射声波的散射作用增加,因此该类材料具有较好的声音阻隔性能,同时,由于环氧树脂基复合材料本身较低的导热系数,该类材料同时具有较好的隔热性能。采用阻抗管测试方法、导热系数测定和冲击性测试,对复合材料的隔声隔热及抗冲击性进行了表征,结果表明,引入超细玻纤的环氧树脂复合材料隔声量能达到50dB以上,导热系数降低至0.167W/(m·K),具有良好的隔声隔热性能。     

高柔性隔热软木复合材料的制备与性能

以单组分湿固化的聚氨酯(U030)作为胶黏剂制备的软木复合材料(RC16),密度为0.40g/cm~3,具有优异的柔韧性和力学性能。考察了胶黏剂的含量、软木粒子的含水率、固化条件等因素对RC16软木隔热性能、柔韧性及力学性能的影响。结果表明:合成的胶黏剂U030与软木粒子之间具有良好的相容性和粘接性,可完全包裹软木粒子且分散均匀;材料的力学性能随着软木粒子含水率的增加呈现先提高后降低的趋势,在7.0%时达到最大值;随着U030含量的增加,RC16软木的各项性能均呈现先上升后趋于稳定的趋势,但其热导率也相应提高,当U030含量为30%时材料的综合性能最佳;确定RC16软木的最佳固化工艺条件为:固化温度110℃,固化时间1.5h;RC16软木具有良好的耐热性,可在20s内承受800℃高温烧蚀。     

内置高温热管C/C复合材料热防护结构热力耦合机制

采用内置高温热管的热防护结构是一种新型高效的热防护方式。建立了内置高温热管的C/C 复合材料热防护结构模型, 并通过罚函数的方法引入C/C 复合材料与高温热管间装配关系, 推导了一种顺序耦合的热力耦合有限元格式, 在此基础上对热防护结构进行了热力耦合计算分析, 最后对影响结构温度场与应力场的若干参数进行了参数影响分析。计算结果表明, 在典型飞行状态下, 采用内置高温热管的C/C 复合材料热防护结构能确保结构驻点温度在材料许用温度范围内; 同时, 采用预留装配间隙的方法可有效降低结构界面的接触应力。该方法也可进一步用于研究由接触热阻引起的热力耦合问题。      

基于SLS的高强度低密石墨陶瓷复合隔热材料快速制备

本文率先利用选择性激光烧结技术快速制备了高强度石墨陶瓷复合隔热材料,重点研究了二次固化、真空压力浸渍、碳化和高温烧结等后处理工艺以及材料配方组成对其密度、抗压强度和导热系数的影响。研究发现加入适量的硅粉和可膨胀石墨可以对石墨陶瓷复合隔热材料的密度、抗压强度和导热系数进行调控,采取合适后处理工艺路线可以改变石墨陶瓷复合隔热材料的综合性能。最终实现了低密度(<1.2 g/cm^3)、高抗压强度(>10 MPa)、低的导热系数(<2 W/(m·K))和耐高温(>1650℃)等多个性能指标的统一,满足了工业应用需求。     

Concurrent design of composite materials and structures considering thermal conductivity constraints

This article introduces thermal conductivity constraints into concurrent design. The influence of thermal conductivity on macrostructure and orthotropic composite material is extensively investigated using the minimum mean compliance as the objective function. To simultaneously control the amounts of different phase materials, a given mass fraction is applied in the optimization algorithm. Two phase materials are assumed to compete with each other to be distributed during the process of maximizing stiffness and thermal conductivity when the mass fraction constraint is small, where phase 1 has superior stiffness and thermal conductivity whereas phase 2 has a superior ratio of stiffness to density. The effective properties of the material microstructure are computed by a numerical homogenization technique, in which the effective elasticity matrix is applied to macrostructural analyses and the effective thermal conductivity matrix is applied to the thermal conductivity constraint. To validate the effectiveness of the proposed optimization algorithm, several three-dimensional illustrative examples are provided and the features under different boundary conditions are analysed.     

碳/酚醛防热复合材料烧蚀行为的数值模拟

碳/酚醛复合材料被广泛地应用于钝头体表面,是飞行器优秀的热防护材料。为了准确地预测其烧蚀性能,本文从复合材料的组成物纤维和基体的角度出发,基于能量、质量守恒和热分解方程,考虑了烧蚀过程中材料热属性的非线性变化和烧蚀面的退缩,分别计算了纤维和基体的烧蚀性能,预测了烧蚀过程中防热复合材料的温度分布、密度变化、质量损失规律及热属性和线烧蚀率等。结果表明：碳/酚醛复合材料的烧蚀是各种因素相互作用、相互影响的高度非线性过程;烧蚀过程中材料结构具有不均匀的温度分布,烧蚀面区域材料密度衰减最大并且材料的质量损失和损失率几乎呈线性增加;纤维和基体的烧蚀行为存在明显差异,分别预测两者的烧蚀性能,可以为热防护材料的设计提供更加准确的参考和依据。     

纤维增强发泡保温复合材料的制备与性能

为了增强玻化微珠/水泥发泡保温复合材料的力学性能和保温性能,通过掺加改性物理泡沫降低发泡保温复合材料的密度和导热系数,采用改性纤维对发泡保温复合材料进行增强。研究了纤维增强发泡保温复合材料的力学性能和耐水性能,并利用扫描电镜对试样内部微观形貌进行观察,探讨了改性泡沫和改性纤维对发泡保温复合材料的增强机制。结果表明,掺加泡沫明显降低了发泡保温复合材料的密度和导热系数,当泡沫掺量为1.05 mL/g时,试样密度和导热系数分别为186 kg/m³和0.056 W/（m·K）。泡沫改性可有效改善发泡保温复合材料的强度和软化系数,掺加改性泡沫试样的抗折强度、抗压强度和软化系数较掺加乳胶粉试样的分别提高了21.05%、21.43%和13.56%。改性纤维可显著提高发泡保温复合材料的强度和软化系数,掺加改性纤维试样的抗折强度、抗压强度和软化系数较掺加未改性纤维试样的分别提高了25.93%、13.51%和8.33%。     

圆板状SiC/C功能梯度材料残余热应力特征有限元分析

功能梯度材料残余热应力的大小及分布对其性能有效发挥及长期稳定使用有着较大的负面影响,为了尽可能充分发挥材料性能,增加材料的使用寿命,需尽可能减小残余应力以及使其合理分布.本文采用ANSYS有限元分析软件对不同叠层工艺参数的等离子体第一壁候选材料--SiC/C功能梯度材料(FGM)的残余热应力进行了数值模拟,获得了使热应力有效缓和的较适宜的工艺参数,对实际研发制备目标材料也可提供一些理论参照.相关结果表明,适量增加梯度叠层数及中间梯度层厚度可逐步有效缓和残余热应力,同时,针对本文今后应用的仍以炭材料为主体的炭基陶瓷保护层复合SiC/C FGM而言,纯SiC层厚度应取较小值,而叠层成分分布指数应取0.8～1.0为宜.     

电子倍增CCD相机制冷绝热设计

对电子倍增CCD(EMCCD)相机制冷的必要性以及热电制冷器(TEC)的特点进行了说明,阐述了真空绝热的优势,分析了真空绝热失效条件,提出了真空绝热的难点及真空保持方案,分析了相机芯片发挥其性能所需的制冷温度,对制冷相机漏热途径进行了分析,计算了克服漏热所需的制冷功率,并设计了制冷绝热方案,对相机进行了稳态热分析建模,将多级热电制冷器进行了参数化转化并将其带入模型边界中,经过迭代拟合得到了相机杜瓦及芯片温度分布,分析了绝热制冷方案的可行性。     

Composite material design of two‐dimensional structures using the homogenization design method

Composite materials of two‐dimensional structures are designed using the homogenization design method. The composite material is made of two or three different material phases. Designing the composite material consists of finding a distribution of material phases that minimizes the mean compliance of the macrostructure subject to volume fraction constraints of the constituent phases, within a unit cell of periodic microstructures. At the start of the computational solution, the material distribution of the microstructure is represented as a pure mixture of the constituent phases. As the iteration procedure unfolds, the component phases separate themselves out to form distinctive interfaces. The effective material properties of the artificially mixed materials are defined by the interpolation of the constituents. The optimization problem is solved using the sequential linear programming method. Both the macrostructure and the microstructures are analysed using the finite element method in each iteration step. Several examples of optimal topology design of composite material are presented to demonstrate the validity of the present numerical algorithm. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

真空隔热板在电冰箱隔热保温中应用分析

分析了真空隔热板构造及使用特点，介绍了复合绝热体的构成以及研制BCD-186CHS电冰箱中真空隔热板及隔热层厚度分布，进行了聚氨酯绝热材料与复合绝热体的性能比较及在研制电冰箱中应用时的漏热及能耗比较，测试结果表明后者漏热减少12．6％、能耗减少11．4％。说明了真空隔热板在电冰箱隔热保温中的相关应用问题，展望了真空隔热板的应用前景。     

On the thermal problem for composite beams using a finite element semi-discretisation

The paper deals with steady state thermo-elastic problems in beam-like structures and it is composed of three theoretical sections. The first part presents a two-dimensional finite element procedure to compute the temperature distribution within a beam cross section subjected to prescribed boundary conditions. It allows the beam cross section to be modelled taking into account any kind of thermal anisotropy or inhomogeneity.

The second part is devoted to the structural thermo-elastic problem in a beam having arbitrary non-homogeneous, anisotropic material properties over the cross section but constant along the axis; the extension of a well-known semi-discretisation procedure to take into account anisotropic thermal expansion coefficients is presented. In this way it is possible to compute strains and stresses related to temperature distributions on the cross section computed, using the method outlined in the first part of the paper.

The third part describes the procedure to evaluate thermal equivalent loads suitable for a three dimensional frame analysis.

Some examples are presented and the results are compared either with their theoretical counterparts or with numerical results obtained from a full three-dimensional finite element analysis.