纺织结构复合材料热传导和热膨胀性质实验表征和多尺度有限元分析

发布时间：2020-07-11 14:56

【摘要】：与传统金属材料相比,纺织结构复合材料(TSC)具有高比强、高比刚度、轻质、耐腐蚀等优越性质,已经被广泛用于航空航天、汽车船舶、工程建筑、体育器材等领域。在实际应用中,纺织结构复合材料经常会遭受复杂或长期的热刺激。剧烈温度变化引起的热应力集中或热应变增大是导致纺织结构复合材料疲劳失效的主要形式之一。为避免纺织结构复合材料在高温场中因热疲劳而产生安全隐患,同时也为提高对纺织结构复合材料内部传热过程和热变形趋势的认识,对不同纺织结构复合材料热传导和热膨胀性质研究至关重要。本文结合实验测量和多尺度有限元分析方法来研究不同纺织结构复合材料的热传导和热膨胀性质,并同时探讨结构因素、温度效应、材料性质、界面热阻和孔洞含量的影响。本文所研究的纺织结构复合材料主要有:单向层压复合材料(UD)、平纹机织层压复合材料(PW)、三维层层接结角联锁机织复合材料(3DAWC)和三维矩形编织复合材料(3DRBC)。论文主要工作有:(1)环氧树脂热力学性质测试:利用动态力学分析仪(DMA)测量环氧树脂动态热物理性质;利用热重分析仪(TG)测量环氧树脂初始和完全降解温度;利用差示扫描量热仪(DSC)测量环氧树脂比热容。(2)热传导系数测试:利用标定后的自制热传导装置测量所有纺织结构复合材料面内和面外热传导系数,采用瞬态热线法测量平纹机织层压和三维矩形编织复合材料面内热传导行为,采用平板热源法测量三维角联锁复合材料面内和所有复合材料面外热传导行为。利用标准热传导装置(DZDR-S)测量单向层压、平纹机织和三维角联锁机织复合材料面外热传导系数,以验证自制热传导装置测量结果。利用自制热传导装置测量碳纤维与环氧树脂间界面接触热阻及环境箱空气对流系数。利用红外热成像仪来观察不同纺织结构复合材料热传递过程以及比较它们达到热平衡能力。(3)热膨胀系数测试:利用高温卧式石英热膨胀计来测量单向层压复合材料、平纹机织层压复合材料和三维层层接结角联锁机织复合材料面内和面外热膨胀系数。利用标准石英玻璃试样对热膨胀仪进行标定。(4)多尺度有限元模型:基于等效孔隙率方法,本文建立树脂孔洞单胞模型用来计算含有孔洞后树脂基体热物理性质。根据纤维正六边形堆砌形态和等体积分数原则,建立微观尺度纤维束单胞模型,用来计算浸润树脂后纱线热物理性质。为了减小模型尺寸和提高计算效率,本文建立具有代表性循环单元的中观尺度复合材料单胞模型。为了真实反映复合材料内部温度分布和热流传输路径,本文建立具有实际尺寸的全尺度复合材料细观结构模型。树脂孔洞模型和微观尺度纤维束单胞模型计算结果分别作为基体和纱线性质被代入到中观尺度和全尺度模型中。采用主-从节点技术将周期性位移和温度边界条件应用于单胞模型。根据温度载荷施加方法将宏观温度边界条件施加给全尺度复合材料细观结构模型。(5)热传导行为分析:碳纤维和环氧树脂的热传导系数与温度呈近似线性关系,导致纺织结构复合材料热传导性质具有明显温度依赖性。对于热传导系数预测结果,全尺度细观结构模型比中观尺度单胞模型更接近于实验测量值。复合材料热传导系数随着加载温度升高、纤维体积分数增加、纤维与热流夹角减小、界面热阻减小或孔洞含量减少而增加。热流主要分布在纤维上,且优先选择高导热系数方向进行传递。温度分布和热流传输路径取决于纱线取向,高导热纱线会将自身一部分热量传递给周围低导热树脂,并且距离纱线越近,树脂温度越高。碳纤维与树脂间界面温度处于上限碳纤维温度和下限树脂温度之间。除了三维矩形编织复合材料,纺织结构复合材料热传导能力在面内方向要优于面外方向。在面内方向,温度和热流沿与热源垂直的纱线方向传递最快。在面外方向,温度和热流沿底部热源向顶部热沉逐层递减。三维编织复合材料轴向热传导系数要高于其横向热传导系数。在其轴向,温度以热源为中心呈现“凹形”分布,热流从中心热源沿着编织纱取向以“×形”路径传递。在其横向,内、面和角区域温度分布依赖于编织纱行进轨迹。当编织纱运动到面和角区域时,面和角区域温度就会高于内区域温度。由于内区域体积含量大,导致其轴向表面温度呈现“凸形”分布。(6)热膨胀行为分析:环氧树脂热物理性质决定了纺织结构复合材料热膨胀行为具有温度依赖性,且在环氧树脂玻璃化转变温度后,复合材料面内热膨胀系数逐渐下降为负值,而面外热膨胀系数却迅速增加。碳纤维轴向负热膨胀系数导致纺织结构复合材料在面内出现热收缩现象。环氧树脂自由热膨胀行为受到纺织预成型体约束,导致复合材料面外热膨胀能力要弱于纯环氧树脂热膨胀能力。但由于界面等因素存在,实际测量结果却正好相反。随着纤维与热流间夹角减小、纤维体积分数增加、孔洞含量增加,复合材料热膨胀系数随之减小。与传统单向复合材料热膨胀系数数值预测模型相比,有限元结果更接近实验测量结果。纤维与树脂间界面热应力在面内加载时最大而在面外加载时最小。对于平纹机织和三维角联锁机织复合材料面内加载,加载方向纱线经历了先膨胀后收缩,与其垂直交叉纱线由于受到加载方向纱线约束也发生径向位置改变,且经纬纱都会出现略微横向膨胀。对于它们面外加载,纺织预成型体可有效减小复合材料内部热位移和热应变,却极大地增加了热应力。由于它们内部结构不均匀性,高纤维体积分数附近树脂区域具有较大热应力和热应变。在环氧树脂玻璃化转变温度后,树脂基体上热应力逐渐降低至接近于零,而热应变却迅速增加。本文实验测量方法和多尺度有限元分析技术可扩展到其它更为复杂纺织结构复合材料热传导、热膨胀以及热力耦合性质预测,并可进一步应用于变温环境中航天飞行器、汽车引擎盖和集成电路板等复合材料结构件热稳定性预测和抗热损伤性能评估。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

单向纤维增强复合材料,结构维度,纺织复合材料,预成型

图 1-1 纺织复合材料按预成型结构维度分类：包括(a)单向纤维增强复合材料；(b)平纹、(斜纹、(d)缎纹等二维结构增强复合材料；(e)三维正交机织、(f)三维贯穿接结角联锁、(g)维层层接结角联锁、(h)三维矩形编织等三维增强结构复合材料单向纤维增强复合材料（Unidirectional Fiber Reinforced Composites, UD）是

编织复合材料,矩形,体热

三维矩形编织复合材料中内、面和角区域划分

膨胀变形,中面,单层,情况

各向异性材料线膨胀系数通常随加载方向变化而变化。在这种情况下，有必要把热膨胀系数看成是一个具有六个独立元素的张量。本文只讨论了具有正交各向异性复合材料层合板的线热膨胀系数。如图1-3所示，当温度从变化到时，单层材料在其局部坐标方向（材料主方向）由于温度变化引起的线应变为1 和2 。由于单向纤维增强复合材料具有横观各向同性特征，其线剪切应变12 为 0。根据线膨胀系数定义可知，单层材料在其局部坐标方向由温度引起的线应变为： T 0211221 (1-8)固体材料在受到外界热载荷时的应力与应变关系为[20]： CTijijklklkl (1-9)式中，ij 、ij 、ijklC 和kl 分别表示固体材料的应力、应变、刚度矩阵和热膨胀系数； T为热加载前后温度之差。另外，下标i 、 j 、k 和l 在局部坐标系下为1、2 和 3，而在全局坐标系（非材料主方向）下为 x 、 y 和 z 。单向板上受到的热应变在全局坐标和局部坐标系下的关系为：TTTTxyyxTTxyyx 0211221(1-10)式中

【参考文献】