石墨泡沫的实验研究及导热数值分析

论文摘要

随着航空与航天工业、汽车工业以及通讯和信息产业等技术的飞速发展,对现代材料提出了更高的要求,如传热性能好、有一定的机械强度、耐腐蚀等。近年来出现的新型导热材料石墨泡沫以独特的性能满足了这些要求。石墨泡沫是一种多孔结构材料,其固体骨架是石墨片层结构,因此具有密度小、导热系数大的优良热物理性能。如果将石墨泡沫用于制造各种换热器,能减少换热器的重量和体积。目前国外对石墨泡沫材料的研究和开发较深入,而国内的研究尚处于起步的阶段,且主要是讨论制备工艺。本文讨论了石墨泡沫制备成型实验中不同工艺条件对石墨材料多孔结构性能的影响。通过调整气氛压力、升温速率和恒温时间等参数,得到了不同的实验样品。根据优化实验的需要,提出了基于样品剖面孔隙面积标准偏差的孔隙均匀系数,作为评价材料内部孔隙尺寸及空间分布均匀度的综合指标。给出了孔隙均匀系数的概念、定义和测量方法,讨论了石墨泡沫制备实验过程中一些工艺参数对实验样品孔隙均匀系数的影响。利用有限元计算软件ANSYS建立了石墨泡沫的有限元分析模型,采用有限元法对石墨泡沫材料的热性能进行数值计算,得到不同孔隙率下的容积导热系数,分析了稳态条件下模型的温度场和热流密度场并与国外相关同类计算结果进行了比较。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 石墨泡沫材料的发展历史
• 1.3 石墨泡沫材料的结构及性能
• 1.4 石墨泡沫制备原料
• 1.5 石墨泡沫材料的应用
• 1.6 课题的研究内容及意义
• 2 石墨泡沫材料的制备研究
• 2.1 实验设计
• 2.2 实验制备工艺
• 2.3 实验结果
• 2.4 小结
• 3 孔隙均匀系数
• 3.1 孔隙均匀系数的提出
• 3.2 孔隙均匀系数的定义
• 3.3 孔隙均匀系数的确定
• 3.4 孔隙均匀系数的测量步骤及计算实例
• 3.5 石墨泡沫孔隙均匀系数的影响因素
• 3.6 小结
• 4 石墨泡沫容积导热系数数值计算
• 4.1 ANSYS 简介
• 4.1.1 有限单元法的基本思想
• 4.1.2 有限元分析软件（ANSYS）介绍
• 4.1.3 ANSYS 的组成
• 4.1.4 ANSYS 有限元分析的主要流程
• 4.1.5 ANSYS 软件的热分析流程
• 4.1.6 ANSYS 热分析基本原理
• 4.2 石墨泡沫的FEM 模型
• 4.2.1 模型的建立
• 4.2.2 模型网络划分
• 4.3 计算
• 4.3.1 验证计算
• 4.3.2 实际计算
• 4.4 计算结果与分析
• 4.4.1 温度与热流密度的分布
• 4.4.2 容积导热系数计算结果与分析
• 4.4.3 结果比较
• 4.5 数值计算的应用
• 4.6 小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.1.1 实验结论
• 5.1.2 孔隙均匀系数
• 5.1.3 石墨泡沫导热模型的有限元分析计算
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录