基于有限元法的平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数预测方法

提出了一种采用有限元法计算平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数的方法.首先研究了材料的细观结构,根据材料显微照片建立了带基体碳纤维束复合材料的单胞模型,采用基体中孔隙分布随机生成的单胞模型,计算了孔隙率对基体等效导热系数的影响,通过施加3组边界条件计算出带基体碳纤维束和复合材料的等效导热系数.最后应用提出的方法计算分析了碳纤维体积分数和孔隙率对复合材料等效导热系数的影响规律.结果显示:复合材料等效导热系数随碳纤维体积分数增大而线性下降,碳纤维体积分数从54%增加到78%的过程中,复合材料y轴方向的等效导热系数下降了12.8%,x与z轴方向的等效导热系数同时下降了8.6%;复合材料等效导热系数随孔隙率增大呈加速下降趋势,孔隙率从0增加到30%的过程中,材料的x与z轴方向的等效导热系数下降了22.91%,y轴方向的等效导热系数下降了34.66%.     

高导热C/ C 复合材料的发展现状

高导热C/ C 复合材料具有高热导率、低密度、低热胀系数和高温下高强度等性能,成为近年来最
具发展前景的散热材料之一。本文综述了国内外高导热C/ C 复合材料的发展现状,分析了C/ C 复合材料的热
物理性能及影响其热导率的因素,介绍了C/ C 复合材料的导热机理、碳纤维、基体炭的导热性能,以及高导热
C/ C 复合材料的制备和改性等。     

黏胶丝基碳布增强C/C复合材料研究

采用黏胶丝基碳布进行了二维层板C/C复合材料研究。和PAN基碳布进行对比,分别从碳纤维微观结构、表面形貌、碳布物理性能、树脂基复合材料炭化过程残余热应力模拟、C/C复合材料力学和热物理性能表征等方面进行了对比分析和研究。结果表明,2 200℃处理的黏胶丝基碳纤维是非石墨化结构;纤维横断面呈腰子形,碳布纬向纱弯曲。黏胶丝基碳纤维的密度仅1．39 g/cm~3;拉伸模量很低,约50 GPa。炭化过程研究表明,黏胶丝基碳纤维轴向具有持续的正的线膨胀行为,在炭化初期与酚醛树脂的膨胀行为相一致;黏胶丝基碳布增强树脂基材料在800℃的面内自由热应变是PAN基材料的1/8;模拟的炭化过程热应力是PAN基材料的1/60。黏胶丝基C/C层板材料的层剪强度高于PAN基C/C复合材料,达到16．2 MPa;其拉伸强度为46．6 MPa,弯曲强度高达95．5 MPa,拉伸模量与弯曲模量基本一致,约10 GPa。黏胶丝基C/C复合材料在800℃的热导率是6．48 W/(m·K),与PAN基C/C复合材料非常接近;在800℃的线膨胀系数是2．18×10~(-6)/ K,远高于PAN基C/C复合材料的-0．387×10~(-6)/K。总之,黏胶丝基碳纤维由于其表粗糙度大、碳布纬向纱弯曲、极低的拉伸模量、正的轴向线膨胀系数,因而C/C复合材料层剪强度高,成型工艺中热应力低,较PAN基碳纤维更适合于研制不分层的二维C/C复合材料。     

预制体结构和热解碳组织对二维碳/碳复合材料热物理性能影响

制备了针刺毡、短纤维树脂模压、碳布叠层 3种预制体 ,其碳纤维体积含量均为 4 0 %。采用化学气相沉积工艺制备了 4种C/C复合材料 :针刺毡 粗糙体热解碳 (具有两种定向热解碳组织 )、短纤维 树脂和热解碳、碳布 光滑体热解碳复合材料 ,对其进行 2 5 0 0℃保温 2h的高温热处理。在 0～ 90 0℃ ,研究了预制体结构和热解碳组织对二维C/C复合材料的热膨胀系数、比热容、热扩散率、导热系数等热物理性能影响。研究发现 :预制体和热解碳结构对C/C复合材料热物理性能有强烈影响。 0～ 90 0℃ ,4种材料的热膨胀系数都非常小 ,与温度近似的成线性关系 ,且几乎具有相同的斜率 ,在一定条件下 ,其值呈现负热膨胀性质 ;0～ 90 0℃ ,4种材料都有高的导热系数 ,但作为温度的函数 ,其值随预制体结构、热解碳组织和传热方向而变化 ,x y向的导热系数 (2 5 .6～1 74W / (m·℃ ) )比z向的 (3.5～ 5 0W / (m·℃ ) )高几倍     

导热-辐射耦合传热的多尺度分析和数值模型

复合材料高温传热特性的准确预测对飞行器热防护结构的设计有重要意义,相关模型也是国家数值风洞工程中多相多介质计算模型的重要组成部分。针对周期性结构复合材料的高温传热问题,利用多尺度渐进分析方法,对包含导热方程和辐射传输方程的导热-辐射耦合传热模型开展了研究。建立了表征单元尺度模型及宏观平均导热-辐射耦合传热模型,获得了材料宏观等效导热系数与表征单元模型间的关系,发现宏观等效辐射吸收和散射等系数可通过表征单元内的体积平均求取。结合有限容积方法与格子Boltzmann方法,建立了复合材料导热-辐射耦合传热多尺度数值模型。采用二维常物性材料传热过程的模拟验证了多尺度模型的有效性,结果表明所建立的多尺度模型能够对温度场给出准确高效的计算结果。该方法有助于为复合材料传热特性的预测提供数值手段。     

预测平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数的三维纤维随机模型

提出了一种能够刻画平纹编织C/SiC复合材料编织结构的三维纤维随机模型,探讨了微观结构影响宏观等效导热系数的机理。采用蒙特卡罗法模拟纤维位置的随机分布,用有限元法计算等效导热系数,通过数理统计方法分析在不同纤维体积分数下等效导热系数的随机分布规律;并且比较了相同纤维体积分数下,纤维随机模型平均等效导热系数与纤维周期排列模型等效导热系数的差别。结果表明:在不同体积分数下,纤维位置随机等效导热系数都呈高斯分布;纤维随机模型中纤维会出现聚集现象,形成局部“导热热障”,所以纤维随机模型平均等效导热系数小于纤维周期排列模型,这种差异在中等纤维体积分数下最明显。      

碳/碳复合材料导热性能的研究

对碳/碳复合材料在不同温度下的导热性能进行了研究。研究发现了碳/碳复合材料的导热机理介于金属材料和非金属材料之间,既有声子导热,又有电子导热。在实验温度范围内,导热系数随温度升高而增大。随碳/碳复合材料石墨化程度的增大,晶体微观结构渐趋完整,石墨片层的有序度增加,材料的导热性能增强。对于高密度的碳/碳复合材料,因为晶粒间联通状态良好,热传导载体运动的路径畅通,所以导热系数高。碳纤维及围绕纤维生长的热解碳是热传导的有效通道,所以沿纤维增强方向的导热系数高。     

C/C复合材料与高温合金GH600之间高温接触热阻的试验研究

 在高超声速飞行器翼前缘的热防护技术方面,采用内置高温热管是一种新型高效的热防护方法,其中C/C复合材料结构与内置高温热管之间的界面接触热阻对传热效率及热力耦合起着至关重要的作用。本文自主搭建了一套高温接触热阻试验平台,并针对三维编织C/C复合材料与高温合金GH600在不同界面应力、界面粗糙度及界面温度下的接触热阻进行了试验研究。研究结果表明本平台在进行高温接触热阻试验研究上是切实可行的,利用该试验平台得到了三维编织C/C复合材料与高温合金GH600之间接触热阻的变化规律,有关结果可以为中国新型内置高温热管热防护结构的设计及安全评估提供参考。     

PI/SiO_2复合薄膜导热性能理论预测和实验验证

在对复合材料导热性能的多种预测模型进行理论分析和对比研究的基础上,应用自行研制的亚微米/微米薄膜材料热性能测试仪和差示扫描量热仪(DSC)对聚酰亚胺(PI)及其复合薄膜PI/SiO2的热扩散率和比热进行了实验研究,通过导热系数实测值和模型预测值的对比,显示预测模型中考虑填充颗粒尺寸分布的Sorin模型预测值与实验值更为吻合。理论预测和实验研究均表明,在20～160℃温区内,PI/SiO2的导热系数随着SiO2添加量的增加和温度升高呈现明显增大的趋势。     

超燃冲压发动机主被动复合热防护系统方案设计思考

针对当前超燃冲压发动机热防护技术面临的困境,为了突破更高飞行马赫数下的热障限制,提出了一种采用冷却剂与被动材料共同承担热载荷的主被动复合热防护技术。分析了主被动复合热防护技术的设计内涵及总体设计原则,讨论了被动层承担的热载荷和被动复合材料的导热系数、厚度之间的关系,并以C/SiC作为被动复合材料,对比分析了主被动复合热防护方案的优势。研究表明,当C/SiC厚度为4mm时,大致可将马赫数为6.5,当量比0.5工况下的热流密度降低42%。      

2.5D编织结构复合材料温度场特征研究

考虑到编织结构陶瓷基复合材料（CMC）在涡轮叶片等航空发动机高温部件应用时，材料内部编织结构特征会导致高温部件的温度场存在波动性。为了研究复合材料温度场的波动特征，以2.5D编织结构复合材料为例，分别建立了基于等效导热系数的均匀化平板模型和基于材料全尺寸细观编织结构的平板模型，计算对比了两种平板模型的温度场分布及内部热量传输特征，同时探究了材料内部编织结构的角度、纤维束轴向与径向导热系数比、纤维束与基体导热系数比等材料结构特征参数和热物性特征参数对材料表面温度波动的影响规律，并开展了编织结构平板的温度场测试实验。研究结果表明：与基于等效导热系数计算得到的平板温度场相比，基于全尺寸编织结构平板模型得到的温度场存在明显的波动特征，当平板内部平均温度梯度为25383K/m时，表面温度波动幅值达到12.41K，表面最高温度由906.96K增加到911.60K，并且在平板内部热量的传输方向沿着纱线发生明显的偏转。同时，随着纱线编织角度的增加，材料表面温度波动幅值下降，但表面的高温区域增加，沿着经纱轴向的温度波动频次增加。随着纤维束轴径向导热系数比的增加，材料表面的高温区域基本不变，温度波动幅值小幅下降，均匀性增强；随着纤维束与基体导热系数比的增加，材料表面的高温区域增加，温度波动幅值降幅较大，均匀性得到较大提高。在本文的研究范围内，当边界温度达到1600K时，基于等效导热系数的方法无法准确地预估复合材料的温度场。     

纤维增强复合材料热导率的研究

本文研究了单向复合材料热导率与基体材料和纤维的种类及纤维的含量和分布的关系,并根据电热相似原理,用混合热阻模型推出了单向复合材料热导率的计算式。用定常热流法实测了纤维含量和分布各不相同的试样在不同温度下的热导率,证实了该计算式的可靠性。     

八面体桁架结构在内冷通道中的流动传热特性研究

为探究八面体桁架结构在航空发动机热端部件内冷通道中的可应用性,掌握八面体桁架结构的流动传热特性,本文采用理论推导和三维数值模拟的方法,对八面体桁架单体的有效导热系数以及八面体桁架阵列结构的流动结构和传热性能开展了研究。首先,针对八面体桁架单体结构,推导出了考虑节点效应的有效导热系数关系式,并通过与数值计算结果对比,验证了其有效性。其次,针对八面体桁架阵列结构,开展了整体结构的三维数值计算,分析了其内部通道的流动结构和温度分布,获得了不同结构的流动阻力和对流传热系数随雷诺数的变化规律。最后,考虑到结构的综合传热性能,本文针对不同孔隙率的八面体桁架阵列结构,进行了基于相同泵功率下努塞尔数的对比。根据计算结果,本文给出了获得最佳传热性能的无量纲直径范围0.07~0.08,相应的孔隙率变化范围 0.872~0.841。分析其原因,由于随着结构孔隙率的减小,即固体率的增加,对流传热强度不断提高,然而,当孔隙率减小到84.1%以下时,由于内通道中流动阻力骤然增大,导致传热效率降低。将八面体桁架结构应用于航空发动机热端部件内冷通道中,是同时出于高效冷却和力学性能的考虑,本文掌握八面体桁架阵列结构的流动传热特性,为其在实际工程中的应用提供了理论支撑。     

翅片-泡沫铜复合结构的导热增强作用

由于翅片能够极大提高沿翅片伸展方向的导热能力,因此为满足一些航空大功率元件的散热要求,提出采用翅片-泡沫铜复合结构作为导热增强介质的概念.制作了翅片厚度分别为0.5,0.8mm和1.0mm的翅片-泡沫铜/石蜡实验件.通过瞬态和稳态的方法对实验件的热特性进行了测试,结果表明添加1.0mm翅片后复合材料的等效导热系数达到11.4W/(m·K),分别为泡沫铜/石蜡和纯石蜡的3.7倍和42.2倍;在相同热流密度下,采用翅片的装置热源与散热面的最大温差相对于未采用翅片的装置降低了73.2%~90.0%.实验证明翅片能够显著提高泡沫铜/石蜡的等效导热系数和动态热响应速度.根据实验结果提出了适用于翅片-泡沫铜/石蜡相变过程的无量纲数关联式.      

碳布叠层穿刺复合材料多尺度传热特性研究

为了深入认识复合材料的多尺度传热特性,预测复合材料宏观热物性参数,基于通用单胞思想和多尺度传热特性分析,建立了一种有效预测碳布叠层穿刺复合材料等效热物性参数的方法。基于电镜扫描分析了纤维束和编织结构的特征,采用通用单胞思想,建立了介/细观传热分析模型,通过数值仿真进行了一系列的多尺度传热特性分析,譬如:纤维体积分数对纤维束结构传热特性的影响、穿刺纤维束大小对编织结构传热特性的影响分析,在此基础上,建立了胞体模板扩展,初步将介/细观结构研究规律应用到宏观结构热物性预测,并进行多层胞体传热特性分析。验证实验表明:等效热物性预测值与实验值吻合较好,方法有效,为深入理解认识碳布叠层穿刺复合材料的介/细观传热特性提供了有效的分析手段。