碳纤维增强木基复合材料多尺度的电学性能仿真研究

发布时间：2017-10-31 15:24

  本文关键词：碳纤维增强木基复合材料多尺度的电学性能仿真研究

  更多相关文章： 碳纤维增强木基复合材料 多尺度 电学性能 建模仿真

【摘要】：随着科技和生活水平的不断提高,人们日益注重资源的重复利用和可持续发展。木质材料作为应用领域极广、使用历史最为久远的资源,一直深受人类的喜爱。然而,纯木质材料在很多方面已经不能满足需求。例如无特殊情况下木质材料的电阻值极大。常温下,即便是含水率为25%的木质材料其电阻值也能达到数兆欧姆。然而,复合材料的出现在很多方面弥补了纯木质材料的缺陷。碳纤维增强木基复合材料(CFEWC, carbon fiber enhanced wood composites)由于具有碳纤维良好的特性,如较强的力学性能、较低的热膨胀系数和良好的导电性等,从而增强了木基复合材料的力学、电学等多方面性能。本文主要针对碳纤维增强木基复合材料的电学性能进行了多尺度的研究,其力学性能也在实验中与纯木质材料进行简单的对比。通过制取复合材料并对其电学性能进行研究,不仅能够将废弃的木屑重新加工利用,而且可以探究其在某些腐蚀环境中代替金属材料工作,起到导电和电磁屏蔽的效果。由于碳纤维的尺寸、含量、搅拌方法、周围环境的温度和湿度等都会对碳纤维复合材料的导电性能产生影响。因此首先通过介绍复合样板的工艺流程,从而制取含有不同碳纤维含量的单贴面和双贴面复合样板对它们的力学参数进行测量,并通过测量数据对比进行简单的分析。再对复合样板的电学参数(介电常数、电容、正切损耗角、表面电阻率和电磁屏蔽)进行测量,从宏观尺度、细观尺度和微观尺度归纳、分析电学参数的变化。从而获得碳纤维含量、制板方式和温度对复合材料特性的影响规律,为后续的ANSYS建模仿真提供实验数据。碳纤维增强木基复合材料的多尺度建模主要是在ANSYS14.0的工作环境下,从宏观、细观和微观三个方面进行的二维和三维的几何模型仿真。通过对复合样板进行宏观尺度的二维模型建立,可直观的观察到不同样板的表面电势差分布。通过对复合样板进行细观尺度的三维模型建立,可获得样板的电磁场大小。通过对复合样板进行微观尺度的二维、三维模型建立,能够模拟出样板电流密度和微观粒子带点情况。设置不同的相关参数值还可以对比观察这些样板电学性能的变化。再结合MATLAB数据曲线进行分析,从多尺度全面的研究了碳纤维增强木基复合材料的电学性能。为碳纤维增强木基复合材料制备及其应用提供了一定的指导和依据。
【关键词】：碳纤维增强木基复合材料 多尺度 电学性能 建模仿真
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-14
• 1.1 课题研究背景9-10
• 1.1.1 课题的来历9
• 1.1.2 课题的研究背景9-10
• 1.2 课题研究的意义10
• 1.3 课题的发展与研究现状10-12
• 1.3.1 多尺度的发展与研究现状10-11
• 1.3.2 复合材料的发展与研究现状11-12
• 1.4 课题研究的内容12-14
• 2 多尺度方法的基本原理与建模基础14-24
• 2.1 多尺度的简介14
• 2.2 常用的多尺度模拟方法14-19
• 2.2.1 多尺度空间耦合法14-15
• 2.2.2 准连续模拟法15-16
• 2.2.3 粗粒化分子动力学法16-17
• 2.2.4 桥式过渡尺度法17-19
• 2.3 原子尺度有限元法19-21
• 2.4 建模软件ANSYS简介21-23
• 2.4.1 有限元分析基本原理22
• 2.4.2 ANSYS软件的处理过程22-23
• 2.5 本章小结23-24
• 3 碳纤维增强木基复合材料的制备与电学性能测试24-38
• 3.1 引言24
• 3.2 实验材料和主要设备24-26
• 3.2.1 实验主要材料24-25
• 3.2.2 实验主要设备25-26
• 3.3 复合材料制备方法26-28
• 3.4 复合材料的力学性能测量28-29
• 3.5 复合材料的电学性能测量29-36
• 3.5.1 介电常数和损耗角正切测量29-31
• 3.5.2 电容测量31-32
• 3.5.3 表面电阻率测量32-33
• 3.5.4 电磁屏蔽测量33-36
• 3.6 本章小结36-38
• 4 碳纤维多尺度增强木基复合材料的建模仿真38-56
• 4.1 引言38
• 4.2 ANSYS在多尺度分析上的应用38-39
• 4.3 ANSYS环境下的模型建立39-41
• 4.3.1 ANSYS的前置处理39-40
• 4.3.2 ANSYS的计算求解40-41
• 4.3.3 ANSYS的后置处理41
• 4.4 复合样板宏观尺度建模41-47
• 4.5 复合样板细观尺度建模47-50
• 4.6 复合样板微观尺度建模50-55
• 4.6.1 电流随温度变化微观建模50-52
• 4.6.2 微观导电粒子建模52-55
• 4.7 本章小结55-56
• 结论56-57
• 参考文献57-61
• 攻读学位期间发表的学术论文61-62
• 致谢62-63

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本文编号：1122648