[发明专利]一种基于LBM的编织陶瓷纤维复合材料的传热特性测试方法

说明书

一种基于LBM的编织陶瓷纤维复合材料的传热特性测试方法，属于材料性能测试领域。目前对于陶瓷纤维材料的导热性能的研究不足，在实验方面，也缺乏理论计算依据。本发明基于晶格Boltzmann方法针对陶瓷纤维不同编织结构进行物理建模，拟合得到比热容和声子平均自由程参数；选定计算时所用的网格划分方法、格子模型和边界条件，并确定声子热输运格子Boltzmann方程；通过仿真软件针对不同的编制结构的类型计算不同温度、不同编织角、不同纤维半径下材料的热导率，求出相对偏差；并分析该因素对材料各向异性导热性能的影响以及不同编织结构对材料的各向异性导热性能影响。本发明方法以晶格玻尔兹曼方程为依据，仿真模拟效果优秀。

技术领域

本发明涉及一种基于LBM的编织陶瓷纤维复合材料的传热特性测试方法。

背景技术

本发明以陶瓷纤维及陶瓷纤维增强树脂基复合材料为研究对象，以LBM为研究方法，探究陶瓷纤维及其复合材料在不同结构、条件下的导热性能，为其在热防护中的应用提供理论基础。

人能感受到温度高低，物体能受环境影响变冷、变热，这都是热量传递的结果。在极端高温或者低温环境下，防止人员或物品受到伤害或损害就需要进行热防护。例如，对于高温作业场所，采取相应的热防护措施，可避免作业人员患热射病、热衰竭等疾病；消防员在火场中身着具有隔热效果的消防服以避免烫伤烧伤甚至更严重后果；冬天送餐员会将食物放入保温箱中防止食物变冷；在低温环境下作业的作业人员穿着保温棉服、手套等避免冻伤。对于高速飞行器，采取热防护措施可以避免恶劣热环境对其的伤害，提高飞行时的安全性和可靠性，避免发生由热引起的解体事故。例如2003年美国哥伦比亚号航天飞机由于左机翼隔热瓦受损，在返回大气层的过程机体表面温度超过机体所能承受的极限温度，使得航天飞机发生解体爆炸。因此热防护的设计至关重要。

热防护材料是热防护中最主要的功能材料，材料性能决定了防护性能，必须通过设计、制备和试验对材料进行充分地优化和验证。尤其是近年来，随着航空航天，核能，燃气轮机等高科技工业领域的迅速发展，对耐高温，抗氧化，耐腐蚀材料有着迫切的需求。纤维增强复合材料是由增强纤维和基体通过特殊复合工艺(如缠绕、模压、拉挤等)成型的复合材料，因其具有轻质、高强、耐腐蚀等突出优点被广泛用于航空航天、船舶汽车、民用建筑等领域。三维多向编织复合材料是先进三维纺织结构复合材料家族的重要成员，除具备传统纤维增强复合材料的各项优点外，还具有结构整体性好、可设计性强、抗冲击和疲劳性能高等突出的性能优势，自被提出以来便受到国内外材料界、力学界和工程界的高度重视，并已有一大批关键部件如航空发动机风扇叶片、火箭发动机喷管、三维整体编织异型梁、直升机起落架等被生产并应用。其中，陶瓷纤维具有气孔率高(一般大于90％)、孔径和比表面积大的结构特点，具有良好的隔热作用。陶瓷纤维内部组织结构是由固态纤维与空气混合组成，固相和气相都是以连续相的形式存在，固态物质以纤维状形式存在并构成连续相骨架，气相则连续存在于纤维材料的骨架间隙之中，气孔中的空气具有良好的隔热作用，从而使陶瓷纤维具有较好的隔热性能和较小的体积密度。

本发明主要研究热传导这一方式，热传导(简称导热)是指在物体内部或相互接触的物体表面之间，由于分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象。热传导性能是衡量复合材料耐高温性能的一个重要指标，材料的导热系数表明了该材料的导热能力。对材料热传导特性的理论计算，能更好的分析出材料的传热性能，使其在热防护中的得到更好地应用。对于陶瓷纤维材料，近几年来的研究方向主要为纤维结构模拟和宏观力学的性能测试，而对材料的热传导特性的研究又是很重要的，所以本发明选定对其热传导特性进行研究。

综上，目前对于陶瓷纤维材料的研究的问题是，研究方向大多集中于其力学性能、耐老化、耐腐蚀和材料的制备上，与热有关的研究中包括烧蚀性能、阻燃性能等，而对于其导热性能的研究则有待深入，在实验方面，也缺乏理论计算依据。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，而提出一种基于LBM的编织陶瓷纤维复合材料的传热特性测试方法。