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基于FDTD的三维编织碳纤维复合材料光谱辐射特性研究

韩江月  
【摘要】:随着三维编织技术的逐步完善,其应用中最具代表的三维编织碳纤维复合材料,以极佳的力学性能、耐高温、耐辐射等优点,在航空工业和许多民用领域的使用率增速迅猛,却也由此带来了更多安全隐患。通过对三维编织碳纤维及其复合材料的光谱辐射特性研究,为改进复合材料结构,提升其热辐射性能提供理论依据,从而增强系统的本质安全与可靠性,减少风险隐患。本文应用时域有限差分法(FDTD),对三维编织碳纤维及其复合材料进行了仿真模拟。研究中建立了二维和三维碳纤维结构模型,包括不同含量、不同半径的二维均匀、随机排布,三维随机排布、三维正交编织、三维多向编织及三维多向编织碳纤维复合树脂,分析每种结构对碳纤维材料散射、吸收性能的影响,对不同结构在周期性边界条件和吸收性边界条件下的仿真结果进行比较,优化仿真方案。针对碳纤维含量对材料热辐射特性的影响,计算了7种含量均匀排布的碳纤维散射、吸收因子和各组数据的相对偏差,分析不同含量对材料性能的影响程度。讨论三维正交编织和多向编织结构碳纤维的散射、吸收效率,并与等含量的三维随机排布结构相比较,分析不同结构所造成材料热性能的差别。对三维多向编织碳纤维复合PS和PEI材料的散射、吸收截面进行了计算,分析编织结构、碳纤维含量和基体对复合材料耐热性能的影响。研究发现,碳纤维含量对材料热辐射特性的影响不单一,编织结构的热辐射性能显著优于随机排布。编织体的纤维间距过密会导致材料性能变差,多向编织结构中六向编织碳纤维的热辐射性能更好,与等含量随机排布的吸收截面偏差最高达到了50%。对于碳纤维复合树脂材料,材料的辐射特性受树脂基体自身性质的影响也较大,三维六向编织碳纤维PEI材料的整体耐热性更强。


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