多向编织复合材料热物理性能研究

论文摘要

多向编织C/C复合材料由于其在高温下具有高比强度及高比模量、优异的抗烧蚀/侵蚀及抗热震性能,已成功应用于导弹弹头、火箭发动机喉衬、航天飞机鼻锥和机翼前缘等关键部件。在这些应用中,材料承受的温度可达3000℃以上,热物理性能的把握和认识对弄清其传热机理和热结构行为至关重要。本文针对细编穿刺C/C复合材料,采用FLASHLINETM 5000热导率测试仪和MODEL 1252热膨胀测试仪分别对其不同方向的热扩散率、比热容和热膨胀系数进行了测试,测试最高温度达到2500℃,获得了该材料热物理性能随温度的变化规律。建立了三向编织C/C复合材料的细观模型,采用有限元法对其热物理性能进行了预报。结果表明,热扩散率和比热容的数值预报结果与试验测试结果吻合较好,热膨胀系数相差较大。考虑到组分性能的影响,运用几何关系,依据实验测试结果对纤维束和基体600℃的热膨胀系数进行了辨识,并将其回代到有限元模型中,模拟结果与试验测试结果较吻合。进而将辨识获得的组分性能推广到五向编织C/C复合材料,研究表明其热膨胀系数与实验测量值仍存在明显差距。针对驻点烧蚀试验后的三向细编穿刺C/C复合材料,研究了体积烧蚀对其内部微结构的影响,并在此基础之上分析了孔隙率和石墨化度对材料热传导性能的影响。结果表明孔隙率对材料热传导性能的影响显著。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 C/C 复合材料织物结构
• 1.2.2 高温热物理性能
• 1.3 激光脉冲法测试原理
• 1.4 热物理性能影响因素
• 1.4.1 热导率
• 1.4.2 热膨胀
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 编织复合材料热物理性能实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验设备及原理
• 2.2.1 热扩散率
• 2.2.2 比热容
• 2.2.3 热导率
• 2.2.4 热膨胀
• 2.3 试样材料选择
• 2.3.1 试件设计
• 2.3.2 样品清洗
• 2.3.3 喷涂胶体石墨
• 2.4 实验结果与分析
• 2.4.1 热导率
• 2.4.2 比热容
• 2.4.3 热膨胀
• 2.5 本章小结
• 第3章 编织复合材料热物理性能数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 三向正交C/C 复合材料热物理性能的数值模拟
• 3.2.1 模型的建立
• 3.2.2 热性能的数值模拟
• 3.2.3 热膨胀的数值模拟
• 3.3 组分性能分析
• 3.3.1 几何参数的推导
• 3.3.2 结果分析与讨论
• 3.4 五向编织C/C 复合材料热物理性能的模拟
• 3.4.1 模型的建立
• 3.4.2 热性能的模拟
• 3.4.3 热膨胀
• 3.5 本章小结
• 第4章 体积烧蚀对热物理性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 试样制备
• 4.3 实验过程
• 4.3.1 密度测定
• 4.3.2 石墨化度测定
• 4.3.3 孔隙率测定
• 4.3.4 热扩散率及比热容测定
• 4.4 实验结果与分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢