碳纤维环氧树脂复合材料热响应预报方法
发布时间：2021-07-12 09:45
为研究碳纤维环氧树脂复合材料在火灾环境下的热响应,考虑其在火灾环境下的热解过程,建立非线性热响应方程组,利用有限差分法计算分析单侧热流作用下的材料内部温度-时间历程与炭化规律。结果表明:建立的热响应方程组可以有效预测碳纤维环氧树脂的温度-时间历程,与实验值吻合较好;随着加热时间延长,炭化层范围逐渐扩大,温度趋于稳定,材料温度-深度分布由非线性转变为线性;随着深度增加,碳纤维环氧树脂复合材料温升速率减小,达到热解所需的时间更长,炭化过程变慢,且单位温度的密度变化量峰值随深度增加向低温方向移动;热解反应区中不同深度位置的材料剩余质量分数在同一温度下不同,深度越大剩余质量分数越小,炭化程度越高。
【文章来源】：材料工程. 2020,48(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
碳纤维复合材料在高温环境下的各种响应
聚合物复合材料单侧受热的热解反应过程
表1 材料性能参数[23]Table 1 Material performance parameters[23] Parameters Numerical value Virgin density/(kg·m-3) 1575 Char density/(kg·m-3) 1165 Virgin thermal conductivity/(W·m-1·℃-1) 1.1113×10-3T+0.61391 Char thermal conductivity/(W·m-1·℃-1) 1.1841×10-9T3-6.6846×10-7T2+1.1113×10-4T+0.12317 Virgin specific heat/(J·kg-1·℃-1) 2.8773T+687.31 Char specific heat/(J·kg-1·℃-1) 5.132×10-7T3-2.0761×10-3T2+2.599T+662.53 Specific heat of gases/(J·kg-1·℃-1) 3.5977×10-7T3-9.92485×10-7T2+1.0610T+1256.6 Activation energy,E/(J·mol-1) 181.73×103 Order of reaction,n 1.344 Pre-exponential factor,A/s-1 3.15×1011 Heat of decomposition/(J·kg-1) 107.32×103图4为不同深度位置材料的温升速率-时间历程。可见,10 s之前,4个位置的温升速率快速增大,1 mm位置温升速率最大值为62 ℃·s-1,表明该位置温度变化最为剧烈,这是由于火焰热通量和材料热扩散率主导的传热效应导致了材料温度的快速升高,且该位置距离受热面最近;随着深度位置逐渐增加,温升速率最大值逐渐降低,4 mm位置温升速率最大值仅为10.5 ℃·s-1;达到峰值后,温升速率逐渐降低,趋于0 ℃·s-1,这与图3中的温度-时间历程相一致。这是由于当材料达到基体热解温度后,发生热分解反应,吸收大量热量,完成键的断裂,且分解所产生的气体逸出并发生迁移而带走部分热量[25],进一步导致温升速率减小,温度上升放缓。
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空碳纤维树脂基复合材料的发展现状和趋势[J]. 包建文,蒋诗才,张代军. 科技导报. 2018(19)
[2]玻璃纤维/酚醛树脂复合材料热响应预报方法[J]. 李翰,樊茂华,冯振宇,解江. 复合材料学报. 2019(06)
[3]碳纤维增强环氧树脂基复合材料的研究进展[J]. 吴志刚. 天津科技. 2018(07)
[4]运输类飞机的机身抗烧穿性适航要求解析[J]. 马百平,李翰,邹田春,解江. 航空工程进展. 2017(03)
[5]三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料在两种测量方法下的热响应机制对比[J]. 赵玉芬,宋磊磊,李嘉禄,焦亚男. 复合材料学报. 2018(01)
[6]飞机复合材料结构适航符合性验证思路研究[J]. 段敏鸽,刘存喜. 航空科学技术. 2015(03)
[7]波音787起火事故引发的复合材料修理思考[J]. Robert Trebilcock,孙立. 航空维修与工程. 2014(04)
[8]玻璃纤维/环氧树脂复合材料热分解动力学参数的确定[J]. 陈敏孙,江厚满,刘泽金. 强激光与粒子束. 2010(09)
[9]碳纤维复合材料导热系数研究[J]. 沈蓉影. 材料工程. 1993(03)
本文编号：3279678
【文章来源】：材料工程. 2020,48(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
碳纤维复合材料在高温环境下的各种响应
聚合物复合材料单侧受热的热解反应过程
表1 材料性能参数[23]Table 1 Material performance parameters[23] Parameters Numerical value Virgin density/(kg·m-3) 1575 Char density/(kg·m-3) 1165 Virgin thermal conductivity/(W·m-1·℃-1) 1.1113×10-3T+0.61391 Char thermal conductivity/(W·m-1·℃-1) 1.1841×10-9T3-6.6846×10-7T2+1.1113×10-4T+0.12317 Virgin specific heat/(J·kg-1·℃-1) 2.8773T+687.31 Char specific heat/(J·kg-1·℃-1) 5.132×10-7T3-2.0761×10-3T2+2.599T+662.53 Specific heat of gases/(J·kg-1·℃-1) 3.5977×10-7T3-9.92485×10-7T2+1.0610T+1256.6 Activation energy,E/(J·mol-1) 181.73×103 Order of reaction,n 1.344 Pre-exponential factor,A/s-1 3.15×1011 Heat of decomposition/(J·kg-1) 107.32×103图4为不同深度位置材料的温升速率-时间历程。可见,10 s之前,4个位置的温升速率快速增大,1 mm位置温升速率最大值为62 ℃·s-1,表明该位置温度变化最为剧烈,这是由于火焰热通量和材料热扩散率主导的传热效应导致了材料温度的快速升高,且该位置距离受热面最近;随着深度位置逐渐增加,温升速率最大值逐渐降低,4 mm位置温升速率最大值仅为10.5 ℃·s-1;达到峰值后,温升速率逐渐降低,趋于0 ℃·s-1,这与图3中的温度-时间历程相一致。这是由于当材料达到基体热解温度后,发生热分解反应,吸收大量热量,完成键的断裂,且分解所产生的气体逸出并发生迁移而带走部分热量[25],进一步导致温升速率减小,温度上升放缓。
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空碳纤维树脂基复合材料的发展现状和趋势[J]. 包建文,蒋诗才,张代军. 科技导报. 2018(19)
[2]玻璃纤维/酚醛树脂复合材料热响应预报方法[J]. 李翰,樊茂华,冯振宇,解江. 复合材料学报. 2019(06)
[3]碳纤维增强环氧树脂基复合材料的研究进展[J]. 吴志刚. 天津科技. 2018(07)
[4]运输类飞机的机身抗烧穿性适航要求解析[J]. 马百平,李翰,邹田春,解江. 航空工程进展. 2017(03)
[5]三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料在两种测量方法下的热响应机制对比[J]. 赵玉芬,宋磊磊,李嘉禄,焦亚男. 复合材料学报. 2018(01)
[6]飞机复合材料结构适航符合性验证思路研究[J]. 段敏鸽,刘存喜. 航空科学技术. 2015(03)
[7]波音787起火事故引发的复合材料修理思考[J]. Robert Trebilcock,孙立. 航空维修与工程. 2014(04)
[8]玻璃纤维/环氧树脂复合材料热分解动力学参数的确定[J]. 陈敏孙,江厚满,刘泽金. 强激光与粒子束. 2010(09)
[9]碳纤维复合材料导热系数研究[J]. 沈蓉影. 材料工程. 1993(03)
本文编号：3279678
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