一体化热防护系统梯度腹板的设计与材料制备

发布时间：2017-10-28 16:05

  本文关键词：一体化热防护系统梯度腹板的设计与材料制备

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【摘要】：热防护系统作为高超声速飞行器的关键子系统,正向力热结构耦合一体化方向发展。作为典型的一体化热防护系统,波纹夹芯结构中腹板面临明显的热短路和热失配效应,如何解决这一问题成为一体化热防护研究的关键和热点之一。该问题形成的原因是连接结构承力与隔热功能的矛盾,本文围绕这一矛盾,提出了采用梯度过渡材料作为连接结构材料以解决上述问题的方法。论文主要对梯度腹板进行了分析与设计,并对腹板梯度材料进行了实验制备及性能分析。为验证梯度过渡连接结构解决热短路及热失配问题的可行性,首先建立了波纹夹芯一体化热防护热/力响应分析模型,对比分析了杂化酚醛树脂/陶瓷、杂化聚酰亚胺树脂/陶瓷两类线性梯度腹板与单一陶瓷腹板在典型热力载荷下的温度、应力响应特性,结果表明采用梯度材料作为腹板,可有效降低热防护背面温度、减小热应力。其次,为确定最佳的梯度过渡形式以指导材料制备,分析了不同梯度过渡形式下热防护背面温度、结构应力大小及分布,结果表明梯度过渡形式对结构响应有较为明显的影响。以结构应力最小化为目标,以厚度方向不同位置的材料性能为设计变量,建立了梯度过渡形式的优化方法,并针对本文所研究的材料组分获得了最优梯度过渡设计结果。最后,根据有限元模型分析结果,开展了材料制备与性能研究。首先分别制备了杂化酚醛树脂材料和杂化聚酰亚胺树脂材料,以此两种杂化材料作为先驱体,利用梯度温度下的热解技术分别热解得到了酚醛树脂梯度材料和聚酰亚胺树脂梯度材料,并分别对杂化材料及梯度材料进行了性能测试研究。结果表明杂化酚醛树脂材料、杂化聚酰亚胺树脂材料均具有良好的力学性能及热稳定性,酚醛树脂梯度材料热稳定性能好于聚酰亚胺梯度材料,梯度材料力学性能相对较差,有待于进一步研究。
【关键词】：热防护系统 防热/承力一体化 热/力响应分析 梯度材料 有机无机杂化
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V244.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 课题研究的背景、目的及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状及分析11-16
• 1.2.1 一体化热防护系统研究现状11-12
• 1.2.2 有机无机杂化材料研究现状12-15
• 1.2.3 梯度材料研究现状15-16
• 1.2.4 国内外研究现状简析16
• 1.3 本文主要研究内容16-18
• 第二章 梯度腹板ITPS热/力响应分析18-33
• 2.1 引言18
• 2.2 ITPS热/力分析模型18-22
• 2.3 热短路效应分析22-28
• 2.3.1 陶瓷-FGM-酚醛树脂材料方案22-25
• 2.3.2 陶瓷-FGM-聚酰亚胺树脂材料方案25-28
• 2.4 热失配效应分析28-31
• 2.4.1 陶瓷-FGM-酚醛树脂材料方案29-30
• 2.4.2 陶瓷-FGM-聚酰亚胺树脂材料方案30-31
• 2.5 本章小结31-33
• 第三章 梯度腹板梯度过渡形式的优化设计33-50
• 3.1 引言33
• 3.2 不同梯度过渡形式分析方法33-34
• 3.3 梯度过渡形式对热短路效应的影响34-38
• 3.3.1 陶瓷-FGM-酚醛树脂材料方案34-36
• 3.3.2 陶瓷-FGM-聚酰亚胺树脂材料方案36-38
• 3.4 梯度过渡形式对热失配效应的影响38-47
• 3.4.1 陶瓷-FGM-酚醛树脂材料方案38-42
• 3.4.2 陶瓷-FGM-聚酰亚胺树脂材料方案42-47
• 3.5 梯度过渡形式优化设计47-49
• 3.5.1 优化设计模型47
• 3.5.2 优化结果分析47-49
• 3.6 本章小结49-50
• 第四章 有机无机杂化材料制备及性能分析50-64
• 4.1 引言50
• 4.2 实验药品和仪器50-51
• 4.3 杂化材料制备方法51-54
• 4.3.1 空心玻璃微球/SiAlCN/酚醛树脂杂化材料制备方法51-53
• 4.3.2 聚氮硅烷/聚酰亚胺杂化材料制备方法53-54
• 4.4 分析测试方法54-56
• 4.4.1 密度测试54-55
• 4.4.2 扫描电镜测试55
• 4.4.3 导热系数测试55-56
• 4.4.4 压缩性能测试56
• 4.5 实验结果与讨论56-62
• 4.5.1 密度分析57-58
• 4.5.2 微观组织形貌分析58-59
• 4.5.3 导热系数分析59-60
• 4.5.4 压缩模量与强度分析60-62
• 4.6 本章小结62-64
• 第五章 梯度腹板原理样件的制备及性能分析64-73
• 5.1 引言64
• 5.2 杂化材料热解特性分析64-65
• 5.2.1 杂化酚醛树脂材料热解特性分析64-65
• 5.2.2 杂化聚酰亚胺树脂材料热解特性分析65
• 5.3 梯度材料制备方法65-68
• 5.3.1 酚醛树脂梯度材料制备方法66-67
• 5.3.2 聚酰亚胺梯度材料制备方法67-68
• 5.4 实验结果与讨论68-72
• 5.4.1 密度分析68
• 5.4.2 微观组织结构分析68-70
• 5.4.3 导热系数分析70-71
• 5.4.4 压缩强度分析71-72
• 5.5 本章小结72-73
• 结论73-75
• 参考文献75-81
• 致谢81

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1 ;新型梯度材料[J];工具技术;1997年03期

2 杨云志,陈治清,冉均国,郑昌琼;梯度材料设计的现状与展望[J];兵器材料科学与工程;1998年06期

3 于思荣,任露泉,佟金,张新平,刘耀辉,何镇明;SiC_p/Al-Si合金梯度材料的磨损特性[J];摩擦学学报;2001年02期

4 陈建钧;涂善东;轩福贞;王正东;;热—机械载荷下梯度材料圆筒的应力分析[J];机械工程学报;2007年12期

5 何金徕;孙秦;;飞行器用梯度材料的微观结构及热应力分析[J];宇航材料工艺;2009年03期

6 邓京兰，，欧阳民康，彭华;金属－陶瓷梯度材料的热应力分析[J];武汉水利电力大学学报;1995年06期

7 王继辉，张清杰，邓京兰;金属－陶瓷梯度材料的弹性和弹塑性设计[J];武汉工业大学学报;1995年03期

8 翟鹏程,张清杰,袁润章;金属-陶瓷梯度材料动态温度响应变物性分析模型研究[J];武汉工业大学学报;1997年02期

9 Bernd Kieback,Frank Meyer-Olbersleben;采用梯度材料可制成具有相反性能的构件[J];机电信息;1999年03期

10 谢迎洪,李振环,杨文兵,王乘;压电梯度材料薄板中切口端部场的有限元分析[J];华中科技大学学报(自然科学版);2003年07期

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1 陈少华;;梯度材料的黏附接触解析解[A];现代数学和力学(MMM-XI)：第十一届全国现代数学和力学学术会议论文集[C];2009年

2 陈少华;闫聪;;梯度材料的黏附接触封闭解[A];北京力学会第十六届学术年会论文集[C];2010年

3 姚学锋;许蔚;金观昌;;梯度材料断裂行为的光测力学研究[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（下）[C];2005年

4 左红心;张清杰;;组分连续变化梯度材料中位移波和速度波的研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集（9）[C];2007年

5 王源升;;梯度材料的研究[A];2007年全国高分子学术论文报告会论文摘要集（上册）[C];2007年

6 王源升;;高分子梯度材料设计与研究[A];2010年全国高分子材料科学与工程研讨会学术论文集（上册）[C];2010年

7 李明忠;方青;王传彬;沈强;张联盟;;Al_2TiO_5/Al_2O_3梯度材料的设计与制备[A];2002年材料科学与工程新进展（下）——2002年中国材料研讨会论文集[C];2002年

8 代岩伟;秦太验;;一种梯度材料模型的有限元模拟应力波分析[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年

9 安占军;崔健;李育德;孟庆森;;梯度材料电场辅助自蔓延燃烧合成机理研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅱ[C];2004年

10 陈培见;陈少华;;有限厚梯度材料部分粘滑接触的研究[A];北京力学会第19届学术年会论文集[C];2013年

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1 彭琰;材料领域的新葩——梯度材料[N];科技日报;2000年

2 欣柯材;材料领域的新葩：梯度材料[N];科技日报;2003年

3 记者 魏伟;气凝胶波阻梯度材料研究已达到国际先进水平[N];陕西日报;2013年

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1 谢珩;Cu-Ti_3SiC_2梯度电工材料的制备及其电性能的研究[D];华南理工大学;2015年

2 温变英;聚合物梯度材料的制备及材料结构与性能研究[D];北京化工大学;2003年

3 张光辉;金属—陶瓷梯度材料强度问题的理论研究[D];武汉理工大学;2004年

4 陈艳军;乳液法制备含氟丙烯酸酯聚合物自组织梯度材料[D];武汉理工大学;2005年

5 胡亮;界面作用构筑有机硅梯度材料及响应性光子材料和水凝胶粒子[D];武汉理工大学;2013年

6 宋仁义;先驱体转化法制备无机基/有机聚合物梯度材料[D];武汉理工大学;2006年

7 汪峰涛;新型钨铜复合材料的设计、制备与性能研究[D];合肥工业大学;2009年

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1 胡兆财;一体化热防护系统梯度腹板的设计与材料制备[D];哈尔滨工业大学;2016年

2 朱永彬;聚合物梯度材料的连续制备装置设计、制备及结构表征[D];四川大学;2006年

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7 方青;Al_2TiO_5/Al_2O_3系复相陶瓷及其梯度材料的设计与制备[D];武汉理工大学;2002年

8 支利勇;含裂纹金属梯度材料的剩余强度研究[D];南京航空航天大学;2014年

9 汪亮;银基功能梯度复合材料的电接触性能研究[D];华中科技大学;2006年

10 斯颖;非自然环境下制备PMMA梯度材料的研究[D];北京化工大学;2004年

本文编号：1108932