【摘要】：與傳統(tǒng)金屬材料相比,紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(TSC)具有高比強(qiáng)、高比剛度、輕質(zhì)、耐腐蝕等優(yōu)越性質(zhì),已經(jīng)被廣泛用于航空航天、汽車(chē)船舶、工程建筑、體育器材等領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中,紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料經(jīng)常會(huì)遭受復(fù)雜或長(zhǎng)期的熱刺激。劇烈溫度變化引起的熱應(yīng)力集中或熱應(yīng)變?cè)龃笫菍?dǎo)致紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料疲勞失效的主要形式之一。為避免紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在高溫場(chǎng)中因熱疲勞而產(chǎn)生安全隱患,同時(shí)也為提高對(duì)紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料內(nèi)部傳熱過(guò)程和熱變形趨勢(shì)的認(rèn)識(shí),對(duì)不同紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料熱傳導(dǎo)和熱膨脹性質(zhì)研究至關(guān)重要。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量和多尺度有限元分析方法來(lái)研究不同紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)和熱膨脹性質(zhì),并同時(shí)探討結(jié)構(gòu)因素、溫度效應(yīng)、材料性質(zhì)、界面熱阻和孔洞含量的影響。本文所研究的紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主要有:單向?qū)訅簭?fù)合材料(UD)、平紋機(jī)織層壓復(fù)合材料(PW)、三維層層接結(jié)角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料(3DAWC)和三維矩形編織復(fù)合材料(3DRBC)。論文主要工作有:(1)環(huán)氧樹(shù)脂熱力學(xué)性質(zhì)測(cè)試:利用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀(DMA)測(cè)量環(huán)氧樹(shù)脂動(dòng)態(tài)熱物理性質(zhì);利用熱重分析儀(TG)測(cè)量環(huán)氧樹(shù)脂初始和完全降解溫度;利用差示掃描量熱儀(DSC)測(cè)量環(huán)氧樹(shù)脂比熱容。(2)熱傳導(dǎo)系數(shù)測(cè)試:利用標(biāo)定后的自制熱傳導(dǎo)裝置測(cè)量所有紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料面內(nèi)和面外熱傳導(dǎo)系數(shù),采用瞬態(tài)熱線(xiàn)法測(cè)量平紋機(jī)織層壓和三維矩形編織復(fù)合材料面內(nèi)熱傳導(dǎo)行為,采用平板熱源法測(cè)量三維角聯(lián)鎖復(fù)合材料面內(nèi)和所有復(fù)合材料面外熱傳導(dǎo)行為。利用標(biāo)準(zhǔn)熱傳導(dǎo)裝置(DZDR-S)測(cè)量單向?qū)訅�、平紋機(jī)織和三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料面外熱傳導(dǎo)系數(shù),以驗(yàn)證自制熱傳導(dǎo)裝置測(cè)量結(jié)果。利用自制熱傳導(dǎo)裝置測(cè)量碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂間界面接觸熱阻及環(huán)境箱空氣對(duì)流系數(shù)。利用紅外熱成像儀來(lái)觀察不同紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料熱傳遞過(guò)程以及比較它們達(dá)到熱平衡能力。(3)熱膨脹系數(shù)測(cè)試:利用高溫臥式石英熱膨脹計(jì)來(lái)測(cè)量單向?qū)訅簭?fù)合材料、平紋機(jī)織層壓復(fù)合材料和三維層層接結(jié)角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料面內(nèi)和面外熱膨脹系數(shù)。利用標(biāo)準(zhǔn)石英玻璃試樣對(duì)熱膨脹儀進(jìn)行標(biāo)定。(4)多尺度有限元模型:基于等效孔隙率方法,本文建立樹(shù)脂孔洞單胞模型用來(lái)計(jì)算含有孔洞后樹(shù)脂基體熱物理性質(zhì)。根據(jù)纖維正六邊形堆砌形態(tài)和等體積分?jǐn)?shù)原則,建立微觀尺度纖維束單胞模型,用來(lái)計(jì)算浸潤(rùn)樹(shù)脂后紗線(xiàn)熱物理性質(zhì)。為了減小模型尺寸和提高計(jì)算效率,本文建立具有代表性循環(huán)單元的中觀尺度復(fù)合材料單胞模型。為了真實(shí)反映復(fù)合材料內(nèi)部溫度分布和熱流傳輸路徑,本文建立具有實(shí)際尺寸的全尺度復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型。樹(shù)脂孔洞模型和微觀尺度纖維束單胞模型計(jì)算結(jié)果分別作為基體和紗線(xiàn)性質(zhì)被代入到中觀尺度和全尺度模型中。采用主-從節(jié)點(diǎn)技術(shù)將周期性位移和溫度邊界條件應(yīng)用于單胞模型。根據(jù)溫度載荷施加方法將宏觀溫度邊界條件施加給全尺度復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型。(5)熱傳導(dǎo)行為分析:碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂的熱傳導(dǎo)系數(shù)與溫度呈近似線(xiàn)性關(guān)系,導(dǎo)致紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料熱傳導(dǎo)性質(zhì)具有明顯溫度依賴(lài)性。對(duì)于熱傳導(dǎo)系數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果,全尺度細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型比中觀尺度單胞模型更接近于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。復(fù)合材料熱傳導(dǎo)系數(shù)隨著加載溫度升高、纖維體積分?jǐn)?shù)增加、纖維與熱流夾角減小、界面熱阻減小或孔洞含量減少而增加。熱流主要分布在纖維上,且優(yōu)先選擇高導(dǎo)熱系數(shù)方向進(jìn)行傳遞。溫度分布和熱流傳輸路徑取決于紗線(xiàn)取向,高導(dǎo)熱紗線(xiàn)會(huì)將自身一部分熱量傳遞給周?chē)蛯?dǎo)熱樹(shù)脂,并且距離紗線(xiàn)越近,樹(shù)脂溫度越高。碳纖維與樹(shù)脂間界面溫度處于上限碳纖維溫度和下限樹(shù)脂溫度之間。除了三維矩形編織復(fù)合材料,紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料熱傳導(dǎo)能力在面內(nèi)方向要優(yōu)于面外方向。在面內(nèi)方向,溫度和熱流沿與熱源垂直的紗線(xiàn)方向傳遞最快。在面外方向,溫度和熱流沿底部熱源向頂部熱沉逐層遞減。三維編織復(fù)合材料軸向熱傳導(dǎo)系數(shù)要高于其橫向熱傳導(dǎo)系數(shù)。在其軸向,溫度以熱源為中心呈現(xiàn)“凹形”分布,熱流從中心熱源沿著編織紗取向以“×形”路徑傳遞。在其橫向,內(nèi)、面和角區(qū)域溫度分布依賴(lài)于編織紗行進(jìn)軌跡。當(dāng)編織紗運(yùn)動(dòng)到面和角區(qū)域時(shí),面和角區(qū)域溫度就會(huì)高于內(nèi)區(qū)域溫度。由于內(nèi)區(qū)域體積含量大,導(dǎo)致其軸向表面溫度呈現(xiàn)“凸形”分布。(6)熱膨脹行為分析:環(huán)氧樹(shù)脂熱物理性質(zhì)決定了紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料熱膨脹行為具有溫度依賴(lài)性,且在環(huán)氧樹(shù)脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后,復(fù)合材料面內(nèi)熱膨脹系數(shù)逐漸下降為負(fù)值,而面外熱膨脹系數(shù)卻迅速增加。碳纖維軸向負(fù)熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在面內(nèi)出現(xiàn)熱收縮現(xiàn)象。環(huán)氧樹(shù)脂自由熱膨脹行為受到紡織預(yù)成型體約束,導(dǎo)致復(fù)合材料面外熱膨脹能力要弱于純環(huán)氧樹(shù)脂熱膨脹能力。但由于界面等因素存在,實(shí)際測(cè)量結(jié)果卻正好相反。隨著纖維與熱流間夾角減小、纖維體積分?jǐn)?shù)增加、孔洞含量增加,復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)隨之減小。與傳統(tǒng)單向復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)數(shù)值預(yù)測(cè)模型相比,有限元結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。纖維與樹(shù)脂間界面熱應(yīng)力在面內(nèi)加載時(shí)最大而在面外加載時(shí)最小。對(duì)于平紋機(jī)織和三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料面內(nèi)加載,加載方向紗線(xiàn)經(jīng)歷了先膨脹后收縮,與其垂直交叉紗線(xiàn)由于受到加載方向紗線(xiàn)約束也發(fā)生徑向位置改變,且經(jīng)緯紗都會(huì)出現(xiàn)略微橫向膨脹。對(duì)于它們面外加載,紡織預(yù)成型體可有效減小復(fù)合材料內(nèi)部熱位移和熱應(yīng)變,卻極大地增加了熱應(yīng)力。由于它們內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻性,高纖維體積分?jǐn)?shù)附近樹(shù)脂區(qū)域具有較大熱應(yīng)力和熱應(yīng)變。在環(huán)氧樹(shù)脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后,樹(shù)脂基體上熱應(yīng)力逐漸降低至接近于零,而熱應(yīng)變卻迅速增加。本文實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法和多尺度有限元分析技術(shù)可擴(kuò)展到其它更為復(fù)雜紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料熱傳導(dǎo)、熱膨脹以及熱力耦合性質(zhì)預(yù)測(cè),并可進(jìn)一步應(yīng)用于變溫環(huán)境中航天飛行器、汽車(chē)引擎蓋和集成電路板等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件熱穩(wěn)定性預(yù)測(cè)和抗熱損傷性能評(píng)估。
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB33
【圖文】：

圖 1-1 紡織復(fù)合材料按預(yù)成型結(jié)構(gòu)維度分類(lèi)：包括(a)單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；(b)平紋、(斜紋、(d)緞紋等二維結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料；(e)三維正交機(jī)織、(f)三維貫穿接結(jié)角聯(lián)鎖、(g)維層層接結(jié)角聯(lián)鎖、(h)三維矩形編織等三維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Unidirectional Fiber Reinforced Composites, UD）是

三維矩形編織復(fù)合材料中內(nèi)、面和角區(qū)域劃分

各向異性材料線(xiàn)膨脹系數(shù)通常隨加載方向變化而變化。在這種情況下，有必要把熱膨脹系數(shù)看成是一個(gè)具有六個(gè)獨(dú)立元素的張量。本文只討論了具有正交各向異性復(fù)合材料層合板的線(xiàn)熱膨脹系數(shù)。如圖1-3所示，當(dāng)溫度從 變化到 時(shí)，單層材料在其局部坐標(biāo)方向（材料主方向）由于溫度變化引起的線(xiàn)應(yīng)變?yōu)? 和2 。由于單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有橫觀各向同性特征，其線(xiàn)剪切應(yīng)變12 為 0。根據(jù)線(xiàn)膨脹系數(shù)定義可知，單層材料在其局部坐標(biāo)方向由溫度引起的線(xiàn)應(yīng)變?yōu)椋?T 0211221 (1-8)固體材料在受到外界熱載荷時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系為[20]： CTijijklklkl (1-9)式中，ij 、ij 、ijklC 和kl 分別表示固體材料的應(yīng)力、應(yīng)變、剛度矩陣和熱膨脹系數(shù)； T為熱加載前后溫度之差。另外，下標(biāo)i 、 j 、k 和l 在局部坐標(biāo)系下為1、2 和 3，而在全局坐標(biāo)系（非材料主方向）下為 x 、 y 和 z 。單向板上受到的熱應(yīng)變?cè)谌肿鴺?biāo)和局部坐標(biāo)系下的關(guān)系為：TTTTxyyxTTxyyx 0211221(1-10)式中

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2750557