基于微结构识别的单向复合材料导热系数预估

以T300碳纤维/环氧树脂基单向复合材料为例,考虑纤维周围间隙缺陷的影响,建立了基于微观图像识别的等效导热系数预估方法.首先利用图像识别技术处理材料微观电镜照片,然后依据纤维体积分数稳定性判据应用几何重构技术建立了代表性单元,并通过在代表性单元（RVE）内部交界面处添加接触热阻的方法引入间隙缺陷的影响,最终利用有限元方法模拟得到等效导热系数（ETC）.研究发现:间隙的位置对等效导热系数影响微弱;随着间隙缺陷占比和厚度的增加,等效导热系数显著降低;间隙缺陷占比大于0.8,无量纲间隙缺陷厚度小于0.15时,单向纤维增韧复合材料的等效导热系数受间隙影响最突出;相对于纤维和基体理想接触的情况,考虑间隙缺陷后,等效导热系数最大降幅可达52.1%.      

考虑孔隙的针刺C/SiC复合材料弹性参数计算

基于针刺陶瓷基复合材料试件(CMCs)光学显微照片的微观型貌,并选择恰当的代表体积单元(RVE),建立了针刺陶瓷基复合材料弹性性能预测的单胞模型.考虑了孔隙率对基体和纤维束弹性性能的影响,采用混合率计算出纤维束的弹性常数,然后将纤维束和基体的弹性参数代入到单胞模型中,通过有限元法计算得到复合材料的整体弹性常数.开展了材料拉伸试验和孔隙率测定试验,测得材料的开孔孔隙率为7.33%,闭孔孔隙率为10.67%,弹性性能的计算结果与试验吻合较好,误差为3.1%.      

基于导热性能的复合材料微结构拓扑优化设计

基于均匀化理论和拓扑优化技术,提出了复合材料稳态导热性微结构构型的设计方法。根据均匀化理论给出的周期性材料微结构(单胞)等效导热系数的计算公式,结合有限元分析手段对单胞的等效导热系数求解;定义设计区域内微结构每个单元的导热系数为伪密度设计变量,约束材料用量,分别以材料微结构某个方向导热性能最好为目标和宏观结构的散热性能最佳为目标;采用实体各向同性惩罚函数法(SIMP)构造单胞拓扑结构优化数学模型,导出材料等效导热系数的灵敏度计算公式;采用凸规划对偶求解与周长控制约束相结合进行拓扑优化并获得了优化的微结构构型,数值算例结果验证了所提出的拓扑优化方法可以有效地进行复合材料微结构的导热性能设计。     

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。      

SiC/TC4复合材料横向拉伸应力集中系数的表征及试验验证

针对纤维均匀排布的单向纤维增强复合材料在横向拉伸荷载下基体产生应力集中的问题,提出了横向拉伸荷载下基体应力集中系数的表征方法。基于复合材料细观力学理论,通过编写程序在代表体积元(Representative Volume Element, RVE)模型上施加周期性边界条件,实现了单、双轴横向拉伸荷载下基体应力集中系数的计算,并通过单向纤维增强SiC/TC4复合材料板的横向拉伸试验验证了所建模型的有效性。利用所建模型计算不同纤维体积分数、材料组分以及温度条件下基体应力集中系数并分析其影响规律。计算结果表明:单轴横向拉伸应力集中系数随着纤维体积分数的增加而增大,双轴横向拉伸应力集中系数随着纤维体积分数的增加呈现出先减小后增大的趋势;在20℃～500℃区间内,单轴横向拉伸应力集中系数最大可达2.8,双轴横向拉伸应力集中系数最大达2.4。     

侧壁开孔蜂窝夹芯结构的传热性能分析

针对侧壁开孔蜂窝夹芯结构，建立了蜂窝单元高温辐射-导热耦合传热模型，采用有限元方法分析了内部传热机制，获得了其高温等效导热系数。讨论了开孔形状、开孔参数、孔排布形式等结构参数对等效导热系数的影响，拟合得到了等效导热系数的计算关联式。研究表明：开孔形状对蜂窝单元等效导热系数几乎无影响；等效导热系数随孔隙率增大而减小，受开孔数影响较小。并联开孔相对于串联开孔时等效导热系数更低，孔隙率14%、孔数为4时等效导热系数比串联时小8.4%，相较于未开孔时降低16.1%。     

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。     

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     

三维四向编织复合材料等效热特性数值分析和试验研究

 采用“米”字型枝状胞体有限元模型和试验方法对三维四向编织复合材料的整体等效热膨胀系数和等效热传导系数进行了分析并将计算结果和试验值进行了比较。研究表明枝状胞体模型能较为真实的反映三维四向编织复合材料的结构构形;有限元方法在分析热膨胀、热传导方面具有较好的精度;三维四向编织复合材料编织方向的热膨胀系数随着纤维体积比的增加而减小,随着编织角的增加而减小;热传导系数随着纤维体积比的增加而增大,随着编织角的增大而增大。     

三维四向编织复合材料的弹性性能预测研究

根据三维四向编织复合材料中纤维束的空间几何结构特征,提出了改进的三细胞模型,该模型包含内部单胞、两种表面单胞以及棱角单胞四类结构,考虑了各类单胞中纤维束的空间结构,并引入平均纤维束填充因子来描述各类单胞中纤维束的不同截面形状对材料弹性常数的影响.基于刚度平均化方法建立了相应的刚度预测模型,得到了三维四向编织复合材料的工程弹性常数.与实验结果的对比表明,计算结果的预测精度较好.最后讨论了编织角和纤维体积分数对材料等效弹性性能的影响.      

三维编织复合材料热物理性能的有限元分析

根据三维编织复合材料的细观结构,分别建立了三维四向和五向编织复合材料热物理性能的有限元模型.采用周期性的非绝热温度边界条件和位移边界条件,计算了三维四向和五向编织复合材料的整体等效热传导系数和热膨胀系数,计算结果同已有文献相比与实验值符合得更好.在此基础上,迸一步研究了编织角、纤维体积分数、编织结构等参数对材料热物理性...     

三维编织复合材料宏细观多尺度传热分析

近年来三维编织复合材料在航空、航天等领域得到了广泛应用,而热传导性能是其重要的物理性能之一。根据三维四向编织复合材料细观单胞模型,建立其热传导性能的宏细观多尺度模型,包括等效热传导系数的均匀化模型和温度场分布的多尺度模型;基于宏细观多尺度有限元算法,计算三维四向编织复合材料的等效热传导系数,并与实验结果进行对比;在此基础上,研究编织角和纤维体积含量对热传导系数的影响规律,并确定材料内部的温度场分布。结果表明:等效热传导系数与实验值吻合较好,细观单胞模型能较为真实地反映三维四向编织复合材料的结构构形,宏细观多尺度方法能有效预测三维编织复合材料的热传导性能,并且能有效捕捉材料内部的局部振荡效应。     

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。     

航空航天用多功能SiC/Al复合材料研究进展(英文)

Multi-functional Al-matrix composites with high volume fraction （55%-57%） of SiC particles are produced with the new pressureless infiltration fabrication technology. X-ray detection and microscopic observation display the composites which are macroscopically homogeneous without porosity. The investigation further reveals that the SiC/Al composites possess low density （2.94 g/cm^3）, high elastic modulus （220 GPa）, prominent thermal management function as a result of low coefficient of thermal expansion （8 × 10^4 K^-1） and high thermal conductivity （235 W/（m.K）） as well as unique preventability of resonance vibration. By adopting a series of developed techniques, the multi-functional SiC/Al composites have managed to be made into near-net-shape parts. Many kinds of precision components of space-based optomechanical structures and airborne optoelectronic platform have been turned out. Of them, several typical products are being under test in practices.     

三维五向编织复合材料导热性能的有限元分析

根据三维五向编织复合材料的细观结构模型,分别假设编织纱线和轴纱具有六边形和正方形横截面,建立了计算三维五向编织复合材料导热性能的有限元模型.采用有限元方法,设定合理的边界条件,计算了三维五向编织复合材料的横向和纵向热传导系数,并与三维四向编织复合材料的热传导系数进行了比较,分析了编织角和纤维体积含量对热传导系数的影响规律.此外,还确定了材料内部的温度、热梯度及热流量的分布,为材料热力耦合问题的分析奠定了基础.      

单向C/SiC复合材料热残余应力数值模拟研究

连续纤维增韧陶瓷基复合材料制备过程中因纤维与基体线胀系数失配会产生热残余应力,从而导致纤维脱粘、基体开裂等现象,严重影响复合材料力学性能。本文针对CVI工艺制备的单向C/SiC复合材料,建立"纤维-界面-基体"单胞物理模型,基于细观力学分析方法对热残余应力分布规律进行预测,采用ABAQUS对材料制备过程进行数值模拟,揭示了界面厚度、纤维体积分数、制备温度等参数对纤维、基体热残余应力分布的影响规律,分析了热残余应力对复合材料力学性能的影响。研究结果能够为C/SiC复合材料的设计、分析及微纳力学性能试验提供理论支持。     

碳纤维含量对Cf/SiO2复合材料组织与性能的影响

采用真空热压烧结工艺制备了碳纤维体积分数分别为20％、40％和60％的高致密Cf/SiO2复合材料，研究了碳纤维含量对其组织结构，力学性能、热膨胀特性和抗氧化性能的影响规律。结果表明：SiO2基体及20％Cf/SiO2复合材料中，SiO2仍保持非晶态，碳纤维含量为40％和60％时，SiO2发生部分析晶；Cf/SiO2复合材料的抗弯强度、断裂韧性和断裂应变，随碳纤维含量增加均呈现先降低后又增加的趋势，而弹性模量则先增后降；60％Cf/SiO2表现出明显伪塑性；碳纤维含量增大，使复合材料的热膨胀系数成倍增加，抗氧化性变差。     

陶瓷基复合材料单纤维拔出力学分析

建立了考虑界面滑动摩擦的复合材料单纤维拔出力学模型,得到了包含泊松效应影响的基体轴向应力、纤维轴向应力和界面剪切应力的表达式.针对SiC/RBSN陶瓷基复合材料,在部分脱粘/滑移和完全粘结情况下,对纤维、基体、界面的应力分布进行了分析.计算结果与有限元计算结果相比,具有较好的一致性.结果表明:纤维百分含量的变化能够改变界面发生脱粘/滑移失效点的位置;界面发生脱粘/滑移后的脱粘扩展比界面完全粘结的脱粘扩展更容易发生;不考虑热不匹配的影响,仅通过增加界面摩擦系数不能使应力重分布发生很大变化.