编织结构碳/碳复合材料的导热性能研究

论文摘要

碳/碳复合材料是一种由碳纤维增强体与碳基体组成的复合材料,由于其重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温等一系列无可比拟的优异特性,目前已被广泛的应用于航空航天、军事、汽车工业等领域。而碳/碳复合材料的等效热导率作为基本的热物性参数,决定了整体材料的导热性能。因此,如何方便而又准确的获得等效热导率是进一步研究与应用碳/碳复合材料的基础。本文将采用有限元模拟针对等效热导率计算过程中存在的一些问题进行研究。由于碳/碳复合材料内部微观结构复杂,且特征尺度跨度较大,此需要采用双尺度模拟进行研究。而各向异性的沥青基碳/碳复合材料作为其中一类高导热复合材料,其中的沥青基基体热导率的测量存在着诸多的困难。因此,本文建立了各向异性的沥青基碳减复合材料有限元模型,结合实验结果就可以反推基体热导率。这一方法对进一步提高整体热导率,优化工艺流程具有指导性意义。对于文献中对碳/碳复合材料有限元模拟研究中边界条件选取混乱的问题,本文详细的给出了温度边界条件、热流边界条件与周期性边界条件的具体形式以及每种边界条件下等效热导率的计算方法。本文对比了单向碳/碳复合材料和平纹编织碳/碳复合材料中三种边界条件的计算结果,并给出了每种边界条件的适用范围以及相对误差。本研究为碳/碳复合材料的有限元模拟研究中边界条件的选取提供了依据,具有非常重要的意义。在碳/碳复合材料的导热研究中,研究者们通常采用双尺度数值模型进行有限元模拟。但是由于有限元模拟需要一系列的建模、离散、求解、后处理等复杂的过程,在实际的工程应用中,有时候一个简单方便又可靠的计算公式往往更受青睐。因此,研究人员通过各种方式发展了各式各样的解析模型。而对于各向异性的沥青基碳碳复合材料,目前还没有一个可以适用的公式可以直接进行计算。因此,本文首先对比了常用的几种解析模型,证明Pilling模型对于各向同性单向碳/碳材料具有较好的吻合度。然后通过有限元模拟导出各向异性的纤维与基体等效热导率表达式,并引入Pilling模型。本文提出了针对各向异性单向碳/碳复合材料的解析模型表达式。这一模型可以方便的计算各向异性的单向碳/碳复合材料的等效热导率。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 研究背景与研究意义

1.2 碳/碳复合材料

1.2.1 发展历程

1.2.2 碳纤维

1.2.3 碳基体

1.2.4 编织结构

1.3 导热问题研究进展

1.4 主要研究内容

第2章各向异性碳/碳复合材料双尺度数值模型

2.1 材料结构特征

2.2 微观模型

2.2.1 纤维束轴向热导率模型

2.2.2 纤维束切向热导率模型

2.3 宏观模型

2.4 小结

第3章边界条件在有限元模拟中的对比与分析

3.1 导热微分方程及RVE

3.2 温度边界条件

3.3 热流边界条件

3.4 周期性边界条件

3.5 模拟结果对比与分析

3.5.1 单向复合材料边界条件对比分析

3.5.2 平纹编织复合材料边界条件对比分析

3.6 小结

第4章各向异性碳/碳复合材料微观解析模型

4.1 解析模型对比

4.2 各向异性解析模型

4.2.1 纤维等效热导率表达式

4.2.2 基体等效热导率表达式

4.3 小结

第5章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李樑

导师: 王晓东

关键词: 碳复合材料,等效热导率,有限元,各向异性,边界条件

来源: 华北电力大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,材料科学

单位: 华北电力大学(北京)

基金: 国家杰出青年科学基金(No.51525602)

分类号: TB332;O551.3

DOI: 10.27140/d.cnki.ghbbu.2019.000962

总页数: 64

文件大小: 6927K

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