多孔陶瓷材料的弹性和传热性能研究

论文摘要

材料的泡沫化显著地拓宽了其在工程领域中的应用范围,多孔材料作为一种优秀的工程材料,正被大规模地生产和应用,在科学技术和国民经济建设与发展中发挥着巨大的作用。多孔陶瓷材料独特的性质越来越受到人们的重视,对多孔陶瓷材料性能的研究意义越来越重要,本论文研究和分析了多孔陶瓷材料的弹性、传热性能。论文首先以多孔陶瓷孔穴结构为主线回顾了多孔陶瓷材料制备的研究现状,以多孔材料胞体模拟模型为主线总结了多孔陶瓷材料弹性性能的研究现状,同时还对当前计算多孔材料有效导热系数的理论、经验以及半经验公式等进行了综合评述。依据孔穴形成原理,建立了描述多孔材料的闭孔粗棱菱形十二面体、十四面体几何模型,分析了相对密度对微结构的依赖性。采用有限元法,对相对弹性模量、泊松比进行了模拟计算,得到了微结构、相对密度对相对弹性模量、泊松比的影响规律。壁厚、壁面连接曲率半径可简化为相对密度的两个无关影响因素。壁厚是多孔材料相对密度增量的次要影响因素,壁面连接曲率半径是主要影响因素。对粗棱菱形十二面体、粗棱十四面体模型来讲,壁面和壁面相交处增加固体对弹性模量具有不同的影响。根据孔穴形成原理,建立了描述多孔材料的开孔圆棱过渡连接菱形十二面体、十四面体几何模型,分析了相对密度对微结构的依赖性。采用有限元法,对相对弹性模量、泊松比进行了数值计算,得到了微结构、相对密度对相对弹性模量、泊松比的影响规律。圆棱半径和过渡连接曲率半径皆是多孔材料相对密度增量的主要影响因素。圆棱过渡连接菱形十二面体、十四面体模型,圆棱和圆棱相交处增加固体对弹性模量的影响效果不同。低密度多孔材料在载荷作用下,支柱屈曲通过体积变化对泊松比产生了较大的影响。粗棱多孔材料不存在支柱屈曲且孔穴体积的影响逐渐减弱,粗棱多孔材料的泊松比接近基体材料的泊松比。圆棱过渡连接曲率半径对泊松比的影响较小。采用可以很好表述多孔材料微结构特点的菱形十二面体为有效热导率分析模型,给出了菱形十二面体结构参数对棱长的依赖关系,采用平行、连续的分层、分步有效热导率计算方法,推导了多孔材料有效热导率计算公式。分析了有效热导率对孔隙率、材料组成的依赖性,为多孔材料的结构设计提供理论指导。选择有机浸渍法制备的两种材质三个孔径规格多孔陶瓷进行了弹性、传热性能测试实验,采用浸蜡法对实验材料的密度、孔隙率进行测定。用热压烧结法对基体材料的性能进行测定,利用两种模型,对多孔陶瓷材料弹性模量进行预测,并且进行了预测与实验结果的对比分析,提出了预测方法。依据多孔材料的微观形貌,排除个别实体面、支柱断面的不均匀两种主要影响因素。得出减少堵孔和支柱断面的不均匀性,可以显著提高多孔材料的弹性模量。建立了多孔陶瓷材料热扩散性能实验环境,应用六样品热导率测试仪,进行了多孔材料氩气环境下的有效热导率的测定。实验结果显示,开孔多孔陶瓷材料的热扩散系数随温度升高而增加,发现与致密烧结体热扩散系数随温度变化规律不同,呈相反趋势,提出多孔材料特有的内部结构中存在热辐射是产生这一现象的原因。利用菱形十二面体模型,对多孔陶瓷材料有效热导率进行了预测,并与实验结果对比分析。结果显示,多孔陶瓷材料的孔径大小对热扩散系数产生较小的影响,多孔陶瓷材料热扩散系数随其相对密度的增加而增大。本文的工作可以为多孔陶瓷材料的优化设计、性能评价及工程设计提供理论支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 多孔陶瓷材料制备的研究动态
• 1.2.1 开孔多孔陶瓷
• 1.2.2 闭孔多孔陶瓷
• 1.2.3 多孔陶瓷膜
• 1.3 多孔陶瓷材料性能的国内外研究现状
• 1.3.1 力学性能的研究进展
• 1.3.2 导热性能的研究进展
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 闭孔多孔陶瓷弹性表征量特性
• 2.1 引言
• 2.2 几何模型的建立
• 2.2.1 闭孔粗棱菱形十二面体
• 2.2.2 闭孔粗棱十四面体
• 2.3 相对密度计算及分析
• 2.3.1 相对密度对壁厚的依赖性
• 2.3.2 相对密度对壁面连接曲率半径的依赖性
• 2.4 弹性模量计算及分析
• 2.4.1 相对弹性模量对微结构参数的依赖性
• 2.4.2 相对弹性模量对相对密度的依赖性
• 2.5 泊松比计算及分析
• 2.5.1 闭孔菱形十二面体
• 2.5.2 闭孔十四面体
• 2.6 本章小结
• 第3章 开孔多孔陶瓷弹性表征量特性
• 3.1 引言
• 3.2 几何模型的建立
• 3.2.1 圆棱过渡连接菱形十二面体
• 3.2.2 圆棱过渡连接十四面体
• 3.3 相对密度计算及分析
• 3.3.1 相对密度对棱截面参数的依赖性
• 3.3.2 相对密度对过渡连接曲率半径的依赖性
• 3.4 弹性模量计算及分析
• 3.4.1 相对弹性模量对微结构参数的依赖性
• 3.4.2 相对弹性模量对相对密度的依赖性
• 3.5 泊松比计算及分析
• 3.5.1 圆棱过渡连接菱形十二面体
• 3.5.2 圆棱过渡连接十四面体
• 3.6 本章小结
• 第4章 多孔陶瓷导热表征量特性
• 4.1 引言
• 4.2 传热几何模型
• 4.3 有效热导率
• 4.3.1 开孔菱形十二面体
• 4.3.2 闭孔菱形十二面体
• 4.4 本章小结
• 第5章 开孔多孔陶瓷弹性和传热性能实验
• 5.1 引言
• 5.2 弹性性能实验
• 5.2.1 多孔陶瓷实验材料及试样
• 5.2.2 弹性性能实验结果
• 5.2.3 模拟和实验结果对比分析
• 5.3 传热性能实验
• 5.3.1 传热性能实验原理
• 5.3.2 传热性能实验
• 5.3.3 传热性能理论和实验结果对比
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历