三維機織熱防護材料（Woven Thermal Protection System,WTPS）是一種具有雙層密度機織的三維機織復合材料,其具有高比模量、高的比強度、剪切強度、抗沖擊損傷、損傷容限、可設計性、耐燒蝕和耐高溫等優(yōu)點。三維機織復合材料相比于二維編織層合結構具有良好的整體性能�？梢栽诤穸确较虿贾眠B接纖維束,用于加強各層之間的編織,使得材料具有更高的剪切強度。其良好的性能使得三維機織復合材料能夠滿足航空航天器、軍工產(chǎn)品、建筑材料和人造生物材料等領域的要求。本文采用實驗表征、理論分析和數(shù)值模擬相結合的方法對三維機織熱防護材料的壓縮性能進行研究;通過編程實現(xiàn)了WTPS熱防護材料纖維骨架結構的參數(shù)化,經(jīng)過有限元模擬,研究了WTPS熱防護材料纖維骨架結構參數(shù)對其各方向上模量的影響。根據(jù)飛行器再入過程的實際工況力學需要,對WTPS熱防護材料進行細觀結構設計,突破了WTPS熱防護材料的細觀結構連續(xù)調(diào)控關鍵技術,為三維編織材料的細觀結構設計提供一套有效可行的設計方案。首先,設計WTPS熱防護材料的壓縮試驗,獲得了三維機織熱防護材料的力學性能相關數(shù)據(jù)。采用混合率的方法對WTPS熱防護材料內(nèi)部的纖... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：85 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

飛行器載入過程的氣動熱

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文-2-風表面布置熱防護系統(tǒng)(ThermalProtectionSystem，TPS)能有效隔絕這種氣動熱，使飛行器內(nèi)部的溫度處于設備的正常運轉和飛行器安全范圍之內(nèi)。熱防護結構的設計取決于再入過程中飛行器氣動熱的強度、持續(xù)時間及其具體應用部位。按照防熱原理的不同，TPS可以分為三大類：即被動防熱、半被動防熱和主動防熱，呈熱承載能力遞增的趨勢。如圖1-2所示。圖1-2TPS防熱方案及結構[2]當飛行器再入大密度大氣層時，飛行器表面產(chǎn)生嚴重的氣動熱超過了低密度的碳酚醛燒蝕（PhenolicImpregnatedCarbonAblator，PICA）類材料的熱性能。傳統(tǒng)的碳酚醛類化合物(HeritageCarbonPhenolic，HCP)可以在這種環(huán)境下使用；然而，HCP卻具有高密度和熱導率，這就限制了飛行器只能用大的再入角度再入[3]。當再入角度較小時，特別是考慮到質(zhì)量效率，HCP并不可行。同時，再入過程要保證熱防護系統(tǒng)可承受兩次及其以上的氣動燒蝕，在這個過程中，材料還需要承受一定的橫向剪切力以及部分的縱向壓力，這就要求燒蝕TPS材料在燒蝕后具有一定的整體性，燒蝕材料表面不發(fā)生脫落。然而，PICA和HCP雖然能承受一定的熱流沖擊，但在考慮整體性和抗剪切能力時，這類材料并不適用。飛行器再入的要求促使了對燒蝕TPS的替代品的研究。其中，與傳統(tǒng)技術相比，三維機織熱防護系統(tǒng)（WovenThermalProtectionSystem，WTPS）設計靈活性、熱性能和質(zhì)量性能方面取得了可喜的成果[4]。在飛行器再入以及可返回式火箭尾焰反射沖蝕過程中，WTPS不僅要承受很高的熱流，還需要承受一定的橫向剪切力以及部分的縱向壓力[5]如圖1-3可返回式火箭及大底部部受力圖。眾所周知，哥倫比亞號航天飛機失事的一個重要原因就是飛機表面的隔熱材料受到了燃料箱表面脫落的隔熱泡沫沖擊

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文-3-而損傷，在再入過程中失去了防護作用，最終導致了航天器解體。因此，通過理論，模擬和實驗相結合的方法研究WTPS的力學性能，特別是在剪切和作壓縮用力下的性能，既能提高其使用安全性，也能為材料制造提供一定的指導。（a）可返回式火箭（b）大底部受力圖1-3可返回式火箭及大底部部受力圖三維機織熱防護材料是基于三維機織物的基礎上，改進而來的，其制備的過程實質(zhì)是將經(jīng)向纖維束和緯向纖維束多層交錯制成織物的過程，多層經(jīng)向纖維束沿著機織方向不斷被送入織機，如圖1-4所示，然后纖維經(jīng)過一些桿裝置以調(diào)整間距和保持張力，最后達到一個升降系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中形成“梭口”，緯向纖維束沿著垂直于經(jīng)向纖維束方向穿過[6,7]。當織物制備成功之后，選擇適當?shù)幕w材料，運用液體模塑成型技術[8,9]，如樹脂傳遞模塑成型(RTM)和樹脂膜滲透成型(RF)，便可制成三維機織復合材料。圖1-4三維機織骨架織機[5]

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
[1]三維機織復合材料熱傳導及力學性能的多尺度有限元分析[D]. 趙玉芬.天津工業(yè)大學 2017
[2]三維機織復合材料損傷演化與失效行為研究[D]. 仲蘇洋.哈爾濱工業(yè)大學 2015



本文編號：3223793