本文關(guān)鍵詞：泡沫鋁中高溫有效導(dǎo)熱系數(shù)與線膨脹系數(shù)的實(shí)驗(yàn)和理論研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》 2015年

泡沫鋁中高溫有效導(dǎo)熱系數(shù)與線膨脹系數(shù)的實(shí)驗(yàn)和理論研究

馬明陽  

【摘要】：由于集輕質(zhì)和多種特殊物理性質(zhì)于一體,泡沫金屬有望用作多功能元件,近年來引起了學(xué)術(shù)和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。例如,閉孔泡沫鋁因具有極高的比強(qiáng)度和較低的有效導(dǎo)熱系數(shù),被認(rèn)為是中高溫環(huán)境下兼具承載和隔熱功能的絕佳材料。有關(guān)泡沫金屬力學(xué)性能的研究開展很早,對孔形態(tài)、缺陷、孔壁材料物性以及加載工況等各種因素的影響做了充分討論。相比之下,泡沫金屬熱學(xué)性能的研究還不夠完善。盡管前人為測量泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)做了不少工作,但大多僅關(guān)注室溫下的性質(zhì),且未深入分析結(jié)構(gòu)參數(shù)與孔壁材料物性的影響。為計(jì)算泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù),前人使用有限元(FEM)、有限體積(FVM)以及蒙特卡洛(MCM)等方法對多種結(jié)構(gòu)模型做了討論。但是,有效導(dǎo)熱系數(shù)與孔結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的基本關(guān)系仍不十分明確。此外在受熱條件下,線膨脹系數(shù)對構(gòu)件熱變形及熱應(yīng)力的大小和分布有重要影響,然而有關(guān)泡沫金屬熱膨脹性能的研究卻鮮有報(bào)道。因此,本文作者就泡沫金屬的傳熱和熱膨脹性能開展了以下工作。 使用X射線衍射(XRD)、X射線熒光(XRF)、純氧燃燒法、差示掃描量熱(DSC)、核磁共振(NMR)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)等技術(shù)手段測試了閉孔泡沫鋁孔壁材料的成分、熱特性以及光譜特性,發(fā)現(xiàn)孔壁材料主要由Al、Al4Ca及Ti2Al20Ca三種物相構(gòu)成,且在300至500℃溫度范圍內(nèi)會發(fā)生可能因殘余H原子在Ti2Al2oCa晶格中重新分布導(dǎo)致的有序/無序相變。特別地,嘗試測量了孔壁材料的導(dǎo)熱系數(shù),并對實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)和潛在可用方案做了討論�？妆诓牧蠅浩瑢�(dǎo)熱系數(shù)的測量結(jié)果表明孔壁材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而降低。 測量了閉孔泡沫鋁在100至500℃溫度范圍內(nèi)的線膨脹系數(shù),并結(jié)合孔壁材料的測試結(jié)果討論了相對密度、溫度以及成分的影響,結(jié)果表明：閉孔泡沫鋁的線膨脹系數(shù)與孔壁材料相同,與相對密度無關(guān)；由于殘余拉應(yīng)力釋放,首次加熱過程中瞬時線膨脹系數(shù)隨溫度升高而下降甚至出現(xiàn)負(fù)值；當(dāng)溫度超過300℃,可能由于殘余氫重新分布導(dǎo)致Ti2Al20Ca晶格發(fā)生收縮,瞬時線膨脹系數(shù)表現(xiàn)出滯回效應(yīng)。 建立穩(wěn)態(tài)比較法,測量了閉孔泡沫鋁在100至500℃溫度范圍內(nèi)的有效導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,有效導(dǎo)熱系數(shù)總體上隨相對密度的增大而增大,隨溫度升高而略有降低。在深入分析泡沫金屬的傳熱性能之前,計(jì)算了較廣參數(shù)范圍內(nèi)立方體單元模型的有效導(dǎo)熱系數(shù),以提煉多孔材料傳熱的普遍規(guī)律和關(guān)鍵參數(shù)。立方體單元模型的分析結(jié)果表明：溫度低于500℃時,泡沫金屬中輻射傳熱所占比例低于10%,孔壁導(dǎo)熱則居主要地位；孔壁彎曲、孔形狀各向異性、孔棱質(zhì)量集中等結(jié)構(gòu)特征對泡沫金屬的有效導(dǎo)熱系數(shù)有重要影響。忽略熱輻射和氣體導(dǎo)熱,推導(dǎo)得到了用相對密度、孔壁導(dǎo)熱系數(shù)及新定義的形狀因子之乘積表示的泡沫金屬有效導(dǎo)熱系數(shù)的通用關(guān)系式,其中形狀因子的物理本質(zhì)為無量綱溫度梯度基于孔壁材料體積的加權(quán)平均。引入均勻溫度梯度假定,推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)形狀因子可表示為泡沫金屬孔壁體積(長度)和取向的函數(shù)。在此基礎(chǔ)上使用圖像分析方法分析和比較了多種模型及真實(shí)泡沫鋁的形狀因子,發(fā)現(xiàn)：閉孔泡沫鋁的形狀因子在宏觀上各向同性；多面體模型較真實(shí)閉孔泡沫鋁的形狀因子明顯偏大,相比而言Voronoi模型與真實(shí)閉孔泡沫鋁的形狀因子比較接近。特別地,依據(jù)有效導(dǎo)熱系數(shù)的通用關(guān)系式,由有效導(dǎo)熱系數(shù)、相對密度以及形狀因子的實(shí)測值反推得到了閉孔泡沫鋁的孔壁導(dǎo)熱系數(shù),發(fā)現(xiàn)不同試樣的孔壁導(dǎo)熱系數(shù)存在較明顯的差異,且均隨溫度升高而略有降低。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O551.3
【目錄】：

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【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前8條

1 趙軍;何德坪;;閉孔泡沫純鋁的導(dǎo)熱性能[J];機(jī)械工程材料;2009年04期

2 MichaelF.Ashby,盧天健;Metal foams:A survey[J];Science in China(Series B);2003年06期

3 KIM Tongbeum;;The solidification of two-phase heterogeneous materials:Theory versus experiment[J];Science in China(Series E:Technological Sciences);2009年06期

4 鳳儀,朱震剛,陶寧,鄭海務(wù);閉孔泡沫鋁的導(dǎo)熱性能[J];金屬學(xué)報(bào);2003年08期

5 ;Development of multifunctional lightweight cellular metals through interdisciplinary efforts[J];Chinese Science Bulletin;2009年20期

6 崔爾杰;;近空間飛行器研究發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)問題[J];力學(xué)進(jìn)展;2009年06期

7 劉瑩;孫長存;陳兵芽;;石蠟驅(qū)動的熱滯后現(xiàn)象及其影響因素[J];南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版);2009年02期

8 Xiaohu Yang;Tianjian Lu;Tongbeum Kim;;Thermal stretching in two-phase porous media: Physical basis for Maxwell model[J];Theoretical & Applied Mechanics Letters;2013年02期

【共引文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 盧天健;;ULTRALIGHT POROUS METALS:FROM FUNDAMENTALS TO APPLICATIONS[J];Acta Mechanica Sinica;2002年05期

2 ;A plastic indentation model for sandwich beams with metallic foam cores[J];Acta Mechanica Sinica;2011年06期

3 程慧靜;張崇民;苗信成;袁皓;孫文剛;;泡沫鋁的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用展望[J];鞍山科技大學(xué)學(xué)報(bào);2005年06期

4 丁龍;何思淵;何德坪;魏永生;;廢泡沫鋁重熔再生及其泡沫化[J];兵器材料科學(xué)與工程;2008年04期

5 秦福德;童明波;何德坪;;新型高孔隙率泡沫鋁在航天回收中的減振吸能性能分析[J];兵工學(xué)報(bào);2009年S2期

6 夏德宏;郭珊珊;任玲;杜爭;;多孔材料熱導(dǎo)率通用計(jì)算方法[J];北京科技大學(xué)學(xué)報(bào);2012年06期

7 孫杰,李松梅,安成強(qiáng);鎳氫電池極板材料的制備方法[J];表面技術(shù);2001年02期

8 王月;艦船艙室減震降噪用泡沫金屬鋁的室溫內(nèi)耗性能研究[J];船舶力學(xué);2005年01期

9 陳鋒,何德坪;多孔金屬——一種多功能傳感輔助材料[J];傳感技術(shù)學(xué)報(bào);1994年04期

10 劉菊芬,劉榮佩,史慶南,左孝青;新型泡沫鋁制備工藝研究[J];材料導(dǎo)報(bào);2002年08期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉穎;孫修展;;二維周期性梯度多孔材料中應(yīng)力波的傳播特性[A];北京力學(xué)會第18屆學(xué)術(shù)年會論文集[C];2012年

2 王新筑;吳林志;孫雨果;;金屬泡沫夾芯結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的研究綜述[A];第十五屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會議論文集（上冊）[C];2008年

3 秦福德;童明波;何德坪;;新型高孔隙率泡沫鋁在航天回收中的減振吸能性能分析[A];第九屆全國沖擊動力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集（上冊）[C];2009年

4 施旗;呂景文;柏朝暉;;溶膠-凝膠法制備BaTiO_3納米晶粉體及表征[A];全國第三屆溶膠—凝膠科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2004年

5 劉培生;付超;李鐵藩;;高孔率多孔金屬材料電阻率與孔率關(guān)系的研究[A];第三屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集[C];1998年

6 蔣玉思;郝嶼;;開孔泡沫耐熱合金的制備及其應(yīng)用[A];第六屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（10）[C];2007年

7 褚旭明;何思淵;何德坪;;中空球形件泡沫鋁合金的制備及控制[A];第六屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（10）[C];2007年

8 程申濤;周星;葉曉蘇;毛協(xié)民;李重河;;SiC_p增強(qiáng)泡沫鋁制備工藝研究[A];第六屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（10）[C];2007年

9 許佩敏;楊延安;左彩霞;張國朋;高曉軍;伏五;王娟;段博譯;;金屬多孔材料滲透性能研究現(xiàn)狀[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（第2分冊）[C];2010年

10 何德坪;何思淵;尚金堂;;超輕多孔金屬的進(jìn)展與物理學(xué)[A];第八屆全國內(nèi)耗與力學(xué)譜會議論文集[C];2006年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 史玉鳳;多孔介質(zhì)對太陽池性能影響的研究[D];大連理工大學(xué);2011年

2 李金旺;環(huán)路熱管多孔結(jié)構(gòu)的毛細(xì)抽吸性能及其制備與優(yōu)化[D];山東大學(xué);2011年

3 韓春光;拉伸條件下泡沫金屬的細(xì)觀統(tǒng)計(jì)分析模型及統(tǒng)計(jì)特性研究[D];華南理工大學(xué);2011年

4 宮凱;噴射電沉積法制備多孔金屬鎳機(jī)理、工藝及應(yīng)用研究[D];南京航空航天大學(xué);2010年

5 楊繼年;短纖維和POE增強(qiáng)增韌PP泡沫復(fù)合材料的制備及性能研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

6 李德富;平流層浮空器的熱特性及其動力學(xué)效應(yīng)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

7 都延麗;近空間飛行器姿態(tài)與軌跡的非線性自適應(yīng)控制研究[D];南京航空航天大學(xué);2010年

8 李大武;氫化稀土和氫化鋯制備泡沫鋁的研究[D];東北大學(xué);2010年

9 史曉鳴;基于當(dāng)?shù)亓骰钊碚摰娜珯C(jī)組合體顫振及氣動伺服彈性分析[D];復(fù)旦大學(xué);2011年

10 朱勝利;多孔TiNi形狀記憶合金的研究[D];天津大學(xué);2005年

【二級參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王明建;黃新生;;平流層飛艇平臺的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)分析[J];兵工自動化;2007年08期

2 溫杰;;X-51驗(yàn)證機(jī)[J];兵器知識;2007年03期

3 許慶彥,陳玉勇,李慶春;多孔鋁合金的鑄造工藝研究[J];材料科學(xué)與工藝;1998年01期

4 何德坪,余興泉;孔結(jié)構(gòu)對通孔泡沫Al非線性阻尼性能的影響[J];材料研究學(xué)報(bào);1997年01期

5 何德坪,聞德蓀,張勇,舒光冀;鋁熔體在多孔介質(zhì)中的滲流過程[J];材料研究學(xué)報(bào);1997年02期

6 何德坪,馬立群,余興泉;新型通孔泡沫鋁的傳熱特性[J];材料研究學(xué)報(bào);1997年04期

7 吳照金,何德坪;泡沫Al孔結(jié)構(gòu)的影響因素[J];材料研究學(xué)報(bào);2000年03期

8 何德坪，余興泉，陳鋒;P／MCs新型復(fù)合材料制備、結(jié)構(gòu)及阻尼性能[J];材料研究學(xué)報(bào);1996年04期

9 王海峰;宋筆鋒;王海平;;高空飛艇定點(diǎn)控制關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑[J];飛行力學(xué);2005年04期

10 鄭明軍,何德坪;胞狀純鋁與胞狀鋁合金的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能[J];機(jī)械工程材料;2005年05期

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 黃小清,劉逸平,湯立群,胡玲玲,張紅;基于相對即時密度的泡沫鋁材料力學(xué)性能研究[J];實(shí)驗(yàn)力學(xué);2004年02期

2 許坤,寇東鵬,王二恒,虞吉林;泡沫鋁填充薄壁方形鋁管的靜態(tài)彎曲崩毀行為[J];固體力學(xué)學(xué)報(bào);2005年03期

3 汪敏,胡小方,蔣銳,伍小平;多孔泡沫鋁壓縮過程中微結(jié)構(gòu)演化[J];實(shí)驗(yàn)力學(xué);2005年03期

4 張?jiān)?尹益輝;;泡沫鋁彈性接觸靜力學(xué)行為的多尺度模擬[J];計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào);2008年S1期

5 張明華;趙恒義;諶河水;;泡沫鋁夾芯板動態(tài)抗侵徹性能的實(shí)驗(yàn)研究[J];力學(xué)季刊;2008年02期

6 李斌潮;趙桂平;盧天健;;閉孔泡沫鋁低速沖擊防護(hù)的臨界條件與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];固體力學(xué)學(xué)報(bào);2011年04期

7 周志偉;王志華;趙隆茂;樹學(xué)峰;;復(fù)合應(yīng)力下泡沫鋁屈服行為實(shí)驗(yàn)研究[J];高壓物理學(xué)報(bào);2012年02期

8 孫明倩;魏兵;張會玲;;泡沫鋁在船舶艙室中的降噪應(yīng)用[J];河北工業(yè)科技;2014年01期

9 倪小軍;馬宏昊;沈兆武;李磊;;泡沫鋁柱殼對藥柱水下爆炸壓力場影響的數(shù)值研究[J];高壓物理學(xué)報(bào);2014年02期

10 王曦,虞吉林;泡沫鋁的單向力學(xué)行為[J];實(shí)驗(yàn)力學(xué);2001年04期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 姚廣春;;先進(jìn)防暴材料—泡沫鋁[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（第7分冊）[C];2010年

2 劉文祥;張德志;秦學(xué)軍;鐘方平;;泡沫鋁超高速碰撞數(shù)值計(jì)算方法[A];第十屆全國沖擊動力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2011年

3 張曉晴;黃小清;湯立群;;泡沫鋁填充圓管三點(diǎn)彎曲性能研究[A];慶祝中國力學(xué)學(xué)會成立50周年暨中國力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)大會’2007論文摘要集（下）[C];2007年

4 劉紅;解茂昭;尹洪超;王德慶;;泡沫鋁制備過程氣泡生成尺寸的數(shù)值模擬研究[A];2009中國功能材料科技與產(chǎn)業(yè)高層論壇論文集[C];2009年

5 張健;趙桂平;盧天健;;閉孔泡沫鋁應(yīng)變率效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[A];第九屆全國沖擊動力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集（下冊）[C];2009年

6 鄒廣平;唱忠良;明如海;夏培秀;王群;;泡沫鋁夾心板的動態(tài)沖擊性能研究[A];第九屆全國沖擊動力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集（下冊）[C];2009年

7 董姝言;趙桂平;盧天健;;泡沫鋁多軸屈服行為實(shí)驗(yàn)研究[A];中國力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)大會'2009論文摘要集[C];2009年

8 鄭宇軒;曾繁;胡時勝;;爆炸波在泡沫鋁中傳播規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[A];第六屆全國爆炸力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2010年

9 陳鋒;劉斌;沈駿;;粉末冶金泡沫鋁的研究進(jìn)展及應(yīng)用[A];2004年中國材料研討會論文摘要集[C];2004年

10 孫偉成;;三維網(wǎng)狀泡沫鋁、泡沫鋁卷毯生產(chǎn)工藝[A];2004年中國材料研討會論文摘要集[C];2004年

中國重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 王君;[N];中國船舶報(bào);2008年

2 張國華;[N];中國船舶報(bào);2008年

3 記者　吳長鋒;[N];科技日報(bào);2006年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 于英華;泡沫鋁/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)行為及應(yīng)用研究[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2007年

2 李大武;氫化稀土和氫化鋯制備泡沫鋁的研究[D];東北大學(xué);2010年

3 田杰;泡沫鋁的沖擊波衰減和抗爆震特性研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2006年

4 郭劉偉;泡沫鋁夾芯雙管結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

5 習(xí)會峰;泡沫鋁夾芯板高溫下沖擊力學(xué)性能的研究[D];華南理工大學(xué);2014年

6 劉歡;泡沫鋁材料的吸能與防爆特性研究[D];東北大學(xué);2014年

7 楊昆;泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)汽車車架耐撞性及動態(tài)特性研究[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2013年

8 王輝;基于新型緩釋發(fā)泡劑的閉孔泡沫鋁制備、表征與工程化[D];中南大學(xué);2014年

9 穆永亮;閉孔泡沫鋁壓縮吸能性能研究[D];東北大學(xué);2011年

10 李志斌;閉孔泡沫鋁及其夾芯結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)行為研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張華;采用新型發(fā)泡劑的兩步法制備泡沫鋁材料的研究[D];中南大學(xué);2009年

2 李萌;腿式著陸器用泡沫鋁和鋁蜂窩緩沖器的仿真與試驗(yàn)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

3 覃靜;廢舊泡沫鋁回收利用及泡沫鋁導(dǎo)熱過程模擬研究[D];中南大學(xué);2010年

4 王艷麗;泡沫鋁壓縮性能的有限元模擬[D];太原科技大學(xué);2010年

5 張春基;泡沫鋁及其填充結(jié)構(gòu)的制備和力學(xué)性能研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2010年

6 徐雅晨;泡沫鋁填充薄壁結(jié)構(gòu)及三明治結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的數(shù)值模擬[D];合肥工業(yè)大學(xué);2010年

7 張學(xué)斌;泡沫鋁的粉冶法制備及其動態(tài)力學(xué)性能的研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2002年

8 朱勇剛;泡沫鋁的粉末冶金制備方法及其相關(guān)性能研究[D];東南大學(xué);2004年

9 嚴(yán)富學(xué);氫化混合稀土發(fā)泡劑及相應(yīng)泡沫鋁的制備與特性研究[D];西安理工大學(xué);2005年

10 劉士魁;泡沫鋁粉末冶金復(fù)合加熱法制備技術(shù)的試驗(yàn)研究[D];大連理工大學(xué);2005年

  本文關(guān)鍵詞：泡沫鋁中高溫有效導(dǎo)熱系數(shù)與線膨脹系數(shù)的實(shí)驗(yàn)和理論研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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