细编穿刺C/C复合材料热物理性能的模拟研究

论文摘要

细编穿刺织物具有良好的整体结构和较高的纤维体积含量,是制作高性能防热隔热用C/C复合材料的优良基材。本文研究了从室温到1200℃材料热膨胀性能和热扩散性能随温度的变化规律,数值模拟了0°/90°正交铺设和0°/90°/±45°铺设材料的热物理性能,分析了材料热膨胀性能和热扩散性能的影响因素,研究了材料热物理性能与材料结构之间的相互关系。本文的主要研究内容及结果如下:热膨胀性能的实验结果表明:从室温至1200℃,0°/90°正交铺设和0°/90°/±45°铺设材料xy向的热膨胀系数均高于z向的,由于材料中的孔洞和间隙的作用,热膨胀系数先随着温度的升高急剧降低,然后随着温度的升高总体上呈上升的趋势。0°/90°/±45°铺设材料的结构整体性强,所以材料的热膨胀系数先随温度的升高而降低,降低的趋势较激烈,然后随温度的升高而增大,增大的趋势较平稳。模拟了0°/90°正交铺设和0°/90°/±45°铺设材料热膨胀性能,模拟误差均在20%以内,说明了模型的合理性。基体和纤维的相对含量决定了材料最终的热膨胀系数,所以纤维束椭圆横截面模拟得到的z向和xy向热膨胀系数比相应的方形横截面的大;材料随着纤维体积分数的增大,z向和xy向的热膨胀系数减小;材料的z向和xy向热膨胀系数随着铺设方式的不同,产生规律性的变化。热扩散性能的实验结果表明:0°/90°正交铺设和0°/90°/±45°铺设材料xy向的热扩散系数和热导率大于z向的,热扩散系数和热导率均随着温度的升高不断下降,这是由材料的显微结构变化引起的,材料的z向和xy向热扩散系数随温度升高差别逐渐变小,材料的比热随温度升高而增大。0°/90°/±45°铺设材料的结构整体性强,材料z向和xy向的热扩散系数随温度的升高差别逐渐变小,差别变小的趋势比0°/90°正交铺设的明显。模拟了0°/90°正交铺设和0°/90°/±45°铺设材料热扩散性能,模拟的边界条件和实验不一致使模拟出现误差,误差均在-20%之内。纤维束椭圆横截面形状相对方形横截面的来说,热扩散系数和比热增大,导致热导率也增大;材料热扩散系数和比热随着纤维的体积分数增加而减小,热导率减小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的提出及研究意义
• 1.2 热物理性能的国内外研究现状
• 1.3 细编穿刺复合材料的成型技术
• 1.4 复合材料热膨胀系数的影响因素
• 1.4.1 碳纤维和炭基体
• 1.4.2 孔隙
• 1.4.3 温度
• 1.5 复合材料热扩散性能的影响因素
• 1.5.1 复合材料导热机理
• 1.5.2 碳纤维
• 1.5.3 炭基体
• 1.5.4 热处理
• 1.5.5 温度
• 1.5.6 比热
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 材料制备与实验方法
• 2.1 细编穿刺C/C 复合材料的制备
• 2.2 热物理性能的实验方法
• 2.2.1 热膨胀系数
• 2.2.2 热扩散性能
• 2.3 本章小结
• 第3章 复合材料热膨胀性能实验及模拟研究
• 3.1 复合材料热膨胀系数的实验及分析
• 3.1.1 0°/90°正交铺设材料的热膨胀系数
• 3.1.2 0°/90°/±45°铺设材料的热膨胀系数
• 3.2 复合材料热膨胀系数的模拟
• 3.2.1 复合材料的建模过程
• 3.2.2 复合材料模型的网格划分
• 3.2.3 复合材料模型的边界条件、加载求解和结果分析
• 3.3 复合材料热膨胀系数影响因素的模拟分析
• 3.3.1 纤维束横截面形状对材料热膨胀系数影响
• 3.3.2 纤维体积分数对材料热膨胀系数的影响
• 3.3.3 纤维束不同铺设方式对材料热膨胀系数的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 复合材料热扩散系数性能实验及模拟研究
• 4.1 复合材料热扩散性能的实验及分析
• 4.1.1 0°/90°正交铺设材料的热扩散性能
• 4.1.2 0°/90°/±45°铺设材料的热扩散性能
• 4.2 复合材料热扩散性能的模拟
• 4.3 复合材料热扩散性能影响因素的模拟分析
• 4.3.1 纤维束横截面形状对材料热扩散性能的影响
• 4.3.2 纤维体积分数对材料热扩散性能的影响
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢