碳纤维增强复合材料微观烧蚀行为数值模拟

碳纤维增强复合材料已广泛应用于烧蚀热防护系统中,其微观结构直接影响材料的烧蚀行为,因此材料微观烧蚀机制分析对材料设计和制备具有重要意义.本文采用有限体积法并引入固体相体积分数与界面重构技术,建立了碳纤维增强复合材料微观烧蚀数值模型.利用该微观烧蚀数值模型对碳基体包裹单根碳纤维进行烧蚀模拟,将数值模拟的烧蚀形貌与解析解结果进行对比,验证了数值求解方法的正确性.对单向碳纤维增强复合材料在不同碳纤维倾斜角下的微观烧蚀行为进行了模拟分析,得到了碳纤维倾斜角对微观烧蚀行为的影响规律.研究发现:对于碳纤维的抗氧化性能比基体强的情况,当氧扩散速率远远大于碳氧反应速率时,碳纤维将出现"笋尖"状的烧蚀形貌;当碳氧反应速率远远大于氧扩散速率时,纤维和基体将以相同速率烧蚀.当碳纤维的抗氧化性能比基体强时,纤维倾斜角会对材料微观烧蚀行为产生较大影响;相反,则影响不显著.     

碳纤维增强复合材料微观烧蚀行为数值模拟

碳纤维增强复合材料已广泛应用于烧蚀热防护系统中,其微观结构直接影响材料的烧蚀行为,因此材料微观烧蚀机制分析对材料设计和制备具有重要意义.本文采用有限体积法并引入固体相体积分数与界面重构技术,建立了碳纤维增强复合材料微观烧蚀数值模型.利用该微观烧蚀数值模型对碳基体包裹单根碳纤维进行烧蚀模拟,将数值模拟的烧蚀形貌与解析解结果进行对比,验证了数值求解方法的正确性.对单向碳纤维增强复合材料在不同碳纤维倾斜角下的微观烧蚀行为进行了模拟分析,得到了碳纤维倾斜角对微观烧蚀行为的影响规律.研究发现:对于碳纤维的抗氧化性能比基体强的情况,当氧扩散速率远远大于碳氧反应速率时,碳纤维将出现"笋尖"状的烧蚀形貌;当碳氧反应速率远远大于氧扩散速率时,纤维和基体将以相同速率烧蚀.当碳纤维的抗氧化性能比基体强时,纤维倾斜角会对材料微观烧蚀行为产生较大影响;相反,则影响不显著.      

飞秒激光对金属材料表面烧蚀区的XRD分析

在激光脉冲宽度为30fs,重复频率为10Hz,靶面处激光功率密度为1013W/cm2条件下,开展了真空中飞秒激光对铝、铜材料的烧蚀效应研究。对材料表面烧蚀区进行X射线衍射分析的结果表明,材料的表面烧蚀区没有发生相变,X射线的反射强度发生变化,但该区晶面对X射线的反射强度随激光功率密度的增加发生了变化,其衍射峰处出现了明显的展宽并出现分叉,说明该区域的不同晶面对飞秒激光的吸收具有明显的取向作用。     

冷轧成型Al/Ni多层复合材料力学行为与冲击释能特性研究

基于冷轧成型工艺，采用不同的轧制道次制备Al/Ni多层复合材料。开展了Al/Ni多层复合材料准静态压缩和准密闭二次撞击反应实验，对它的力学性能和冲击释能特性进行测试。同时，通过扫描电镜得到了材料的细观结构特性，分析了Al/Ni多层复合材料细观特性对宏观力/化学行为的影响机制。结果表明，基于冷轧技术制备的Al/Ni多层复合材料比粉末压制而成的Al/Ni复合材料塑性更强，材料的抗压强度总体随冷轧次数的增加呈上升趋势。另外，冷轧3～5道次的Al/Ni多层复合材料的准密闭二次撞击反应实验表明，材料在相同的撞击速度(800～1 500 m/s)下释放的化学能随着轧制道次的增加而逐渐降低。     

气动载荷下防热材料剥离颗粒输运特性的直接数值模拟研究

高超声速飞行器防热材料在气动载荷下发生机械剥蚀,进而影响绕流流态、气动性能、热载荷等,相关颗粒剥离动力学是高超声速热防护系统设计及防热材料体系评价中的共性基础性科学问题.研究通过近壁流动量纲分析,将烧蚀颗粒剥离过程模化为单个圆球惯性烧蚀颗粒在Couette流动中的动力学问题,并采用颗粒解析的直接数值模拟方法开展数值研究,获得了烧蚀颗粒关键特征参量对颗粒输运动力学的影响规律.研究发现,随着颗粒/流体密度比ρr越大,颗粒惯性St越大,则颗粒水平和法向输运速度均减小;随着颗粒粒径d p越大,颗粒惯性St越大,则颗粒水平输运速度减小,但是,法向输运速度和位移均因大颗粒受到更大的Saffman升力而增大.此外,烧蚀颗粒法向位移远小于水平位移,颗粒以水平输运为主.本研究最终建立了颗粒启动速度归一化表达式,发现归一化颗粒启动速度是颗粒和流体惯性的函数,即颗粒水平输运速度等于流体微团或中性浮力颗粒的速度减去惯性修正项.研究结果为烧蚀颗粒调制边界层作用机理研究提供支撑.     

基于气炮实验的PTFE/Al复合材料冲击反应阈值

基于16 mm口径气炮撞击实验,对铝颗粒增强的聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)/Al(PTFE/Al)冲击反应复合材料的冲击反应阈值开展了研究。为研究不同撞击加载条件下应变率和碰撞应力对PTFE/Al冲击诱发反应的影响,实验中采用铝、钢和低密度聚乙烯(low density polyethylene, LDPE)这3种不同材料的靶板及不同长度的试样,进行不同加载条件下的测试分析。实验结果显示,PTFE/Al材料的冲击诱发同时受到碰撞压力和加载应变率的影响。同时,通过对试样撞靶过程进行数值模拟,并与实验和理论结果进行对比。基于实验数据,拟合出PTFE/Al材料冲击反应的的预测曲线。     

Al/PTFE活性材料冲击载荷作用下响应特性研究

为了研究铝（Al）/聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene, PTFE）活性材料冲击载荷作用下响应特性,制备了具有反应活性的Al/PTFE块体材料,设计了拉氏实验,采用不同厚度的铝隔板控制入射冲击波幅值,利用锰铜压阻计测量了冲击波在材料中传播过程压力演化过程。同时,基于AUTODYN有限元软件,采用Lee-Tarver三项式点火模型对Al/PTFE活性材料拉氏实验进行数值模拟,并探讨了冲击波在500 mm长的Al/PTFE活性材料中长距离传播行为。研究结果表明,冲击波压力在Al/PTFE活性材料内短距离传播过程中存在明显的衰减,但是,当冲击波传播到远距离时,冲击波压力幅值和冲击波速度趋于稳定,分别为1.3 GPa和2 180 m/s;同时,距离铝隔板越远的材料,其反应度越低并最终趋于0.17。正是由于材料化学反应释能,导致了冲击波压力传播过程最终趋于稳定状态。     

TiH2含量对Al/PTFE动态力学性能和撞击感度的影响

采用混合压制烧结法制备了4种不同TiH₂含量的铝/氢化钛/聚四氟乙烯(Al/TiH₂/PTFE)试件，并基于分离式霍普金森杆和落锤冲击实验，对反应材料的动态压缩力学性能、撞击感度及反应特性进行了研究。实验结果表明，4种材料均存在应变硬化和应变率硬化效应，随加载应变率的提高，材料屈服强度和硬化模量增大。相同加载应变率下，材料屈服强度随TiH₂含量的增加而增高，材料压缩强度则先增高后降低，TiH₂质量分数为5%时材料压缩强度达到最大值166.4 MPa，比Al/PTFE强度提高6.8%。在一定含量范围内(小于5%)，加入TiH₂有助于提高Al/PTFE材料撞击感度和能量释放水平，而TiH₂质量分数大于10%时，材料撞击感度和反应剧烈程度则逐渐降低。与Al/PTFE相比，含TiH₂试件反应火光周围有明显的火星喷溅现象，且此现象TiH₂含量越高越显著。     

纳米颗粒增强镍基MEMS器件材料的蠕变性能研究

利用同步辐射LIGA微铸复合工艺,将纳米氧化物增强颗粒复合到微电子机械系统(MEMS)结构材料中。制作了专用夹具,采用微力材料试验机测量了纳米Al2O3颗粒增强镍基复合材料的强度为1GPa;将恒加载速率/载荷法和恒载荷法相结合,利用纳米压痕仪测量了该材料的室温蠕变速率敏感指数m。结果表明,LIGA复合技术得到的纳米颗粒增强镍基复合材料具有较高的强度;MEMS器件材料在室温下会发生蠕变;材料在相同压深下最大载荷不随加载速率而改变,加载段粘弹性和粘塑性变形极少;主要由局部高应力导致压痕蠕变;材料的蠕变速率敏感指数m值为0.004,说明纳米Al2O3颗粒可有效增强基体材料的抗蠕变能力;且不同恒.P/P下获得的m值基本相同,表示此种材料对加载速率不敏感。     

激光辐照诱导的热与力学效应

对激光辐照诱导的热与力学问题研究进展进行了综述,包括材料在高温、高升温速率下的本构关系,典型薄板和柱壳等结构在激光辐照下的热力破坏效应,多层材料体系的激光破坏行为等几个方面,并着重介绍了包含相变与烧蚀过程的激光破坏分析模型与机制研究,激光辐照效应的流–热–固耦合数值模拟方法,以及短脉冲激光引起的冲击与破坏机理等方面的研究新进展。     

RDX基含铝炸药爆轰波结构实验研究

为了获得含铝炸药爆轰反应区附近铝粉的反应情况,对两种RDX/Al炸药和一种RDX/LiF炸药的爆轰波结构进行了测量。实验过程中,利用火炮加载产生一维平面波,通过光子多普勒测速仪测量炸药/LiF窗口的界面粒子速度。结果表明:含铝炸药爆轰波的结构与理想炸药的差异较大,其界面粒子速度曲线没有明显的拐点;反应初期,由于气相产物与添加物之间温度的非平衡性,RDX/Al界面的粒子速度低于RDX/LiF炸药的;随后,由于铝粉反应放能,RDX/Al界面的粒子速度高于RDX/LiF炸药的;微米尺度铝粉在CJ面前几乎不发生反应;2、10 μm等两种粒度铝粉的反应延滞时间小于0.8 μs;在本文中,两种粒度铝粉的反应度为16%~31%。     

超细二氧化硅粉体对淀粉火焰抑制的实验研究

为了探究不同粒径二氧化硅粉体抑制效果上的差异,采用小尺寸竖直燃烧管道系统,研究添加10 μm和30 nm二氧化硅粉体时,不同粒径小麦淀粉燃烧的火焰传播、温度、速度等参数特性的变化。实验结果表明:超细二氧化硅粉体能减弱小麦淀粉燃烧反应强度;30 nm二氧化硅粉体抑制效果优于10 μm二氧化硅,当小麦淀粉粒径小于25 μm时,质量浓度为0.43 kg/m3、粒径30 nm的超细二氧化硅粉体可使小麦淀粉火焰亮度明显下降,最高温度下降38.07%,最大速度和平均速度分别下降42.25%、65.59%;超细二氧化硅粉体主要起物理抑制作用,抑制效果与小麦粒径成反比关系,小麦粒径越小,二氧化硅抑制效果越好。     

尼龙粉末在SLS预热温度下的离散元模型参数确定及其流动特性分析

尼龙粉末是增材制造中常用的粉体材料,温度对其流动性有重要影响. 探索尼龙粉末增材制造预热温度下的流动性是研究选择性激光烧结(selective laser sintering, SLS)工艺中粉体铺展成形的基础. 选取SLS技术中的尼龙粉末为原材料,采用离散元数值方法,研究尼龙粉末的流动行为,是增材制造工艺数值模拟和铺粉工艺优化的研究热点. 以Hertz-Mindlin模型为基础,基于Hamaker理论模型和库伦定律,在尼龙粉末的接触动力学模型中引入范德华力和静电力,建立预热温度下尼龙粉末流动的离散元模型(discrete element method, DEM),通过对比相应实验结果,标定了该模型的参数. 对加热旋转圆筒中尼龙粉末流动过程进行了DEM数值模拟,校核了所建模型的正确性,并研究了粉体粒径分布对尼龙粉末流动特性的影响规律. 研究表明,尼龙粉末黏附力是静电力与范德华力的共同作用结果;随着粉体粒径的增大,尼龙粉末崩塌角增大,流动性增强;相对于高斯粒径分布,粒径均匀分布的尼龙粉末颗粒流动性更强. 研究结果可指导SLS中铺粉工艺的优化.      

Characterization of powder flow properties from micron to nanoscale using FT4 powder rheometer and PT-X powder tester

The rapid development of nanotechnology has led to a need to further understand the physical characteristics of nanoparticles. In this paper, the flow characteristics of micro-nano alumina particles with different particle sizes were characterized. The FT4 powder rheometer and the PT-X powder tester were used to measure the compression, friction, and dynamic properties of powders. Powder compressibility increased significantly as the particle size decreased from 27 μm to 30 nm. Pressure distribution in the silo was measured and predicted by Janssen's theory, with errors mostly less than 10%. The basic flow energy and the specific energy of the three powders were 4983, 1734, and 244 mJ, and 6.80, 11.70, and 6.70 mJ/g, respectively, indicating that there was no linear relationship between the change in flowability and particle size. The dynamic properties of the powders change from particle-dominated to agglomeration-dominated as the particle size decreases. The conclusion is supported by the results of field emission scanning electron microscopy.     

惰化剂粒径对铝粉火焰传播特性影响的实验研究

为探索惰化剂粒径对可燃工业粉尘火焰传播特性的影响,通过建立竖直粉尘燃烧管道实验平台,在碳酸氢钠质量分数为30%的惰化条件下,就碳酸氢钠粒径对铝粉燃烧火焰传播特性的影响进行了实验研究。结果表明:平均粒径为30 μm的碳酸氢钠粉体对平均粒径为15 μm的铝粉的火焰传播速度具有较好的抑制作用,惰性粉体与可燃工业粉尘应存在粒度匹配效应;碳酸氢钠粉体对铝粉火焰温度的惰化抑制效果与其粒径呈反比关系;碳酸氢钠粉体会减小铝粉火焰预热区厚度,预热区厚度随碳酸氢钠粒径的增加先减小后增大。此外,分析了碳酸氢钠粒径对铝粉火焰传播特性影响的作用机理。     

反应金属冲击反应过程的理论分析

基于1维冲击波理论和粉末材料的冲击温度计算模型对反应金属的冲击响应行为、冲击温度及冲击反应过程进行了理论分析,分别考虑了材料密实度、冲击速度对冲击压力、冲击温度的影响;结合粉末材料冲击温度计算结果及冲击反应的化学动力学方法,提出了考虑反应效率的反应金属冲击反应理论模型。利用新模型得到的计算结果与已有实验结果吻合较好。反应金属的冲击反应行为受密实度、冲击速度及材料种类影响明显。 更多还原     

Pulse laser ablation of ground glass

We have studied pulse laser ablation of ground glass surface. Ablation process in air and in vacuum has been observed by high speed framing camera. Burst of small fragments of glass has been observed in the present experiment, when ground glass surface is laser ablated through glass plate from rear side. Production of macro particles by laser ablation is an inherent characteristic of ground glass, and no similar phenomena have been observed in case of ablation of other transparent materials. By using ns-duration Nd:YAG laser of 100–400 mJ/pulse, observed maximum particle velocity ranges from 0.5 to 1.5 km/s. In order to understand the particle generation process, scanning electron micrograph observation of the ground surface in the region of no laser irradiation and also in the damaged region, has been made. Cleavage surface structure has been evidenced in the damaged surface area, which stems from plenty of micro cracks covering the virgin glass surface. Effects of surface roughness on the particle generation were studied by using ground glass of quartz with different surface roughness. Produced glass particles were captured in vacuum by a polymethylmetacrylate (PMMA) plate. Size distribution was obtained by analysing the trapped particles on the PMMA plate and revealed that most probable particles size has almost no dependence on the initial surface roughness. Finally, we applied the phenomena to ignite pentaerithritoltetranitrate (PETN) powder explosive, and succeeded in igniting (PETN) powder only by laser ablation of ground glass.      

爆炸驱动典型活性材料能量释放特性研究

为了研究活性材料爆炸驱动反应特性，基于粉末压制成型工艺，制备了Al/PTFE、Al/Ni两种典型的活性材料及Al₂O₃/PTFE、Al₂O₃/PTFE/W惰性材料。通过爆炸驱动试验，并结合高速摄影、远红外热像仪以及峰值超压测试技术，分析了不同活性材料壳体装药爆炸火球、温度场分布及空气冲击波峰值超压等特性。同时，在炸药爆炸空气冲击波峰值超压经验计算模型中考虑了活性材料释放的化学能，分析了反应释放能量对空气冲击波的影响规律。结果表明:活性材料在爆炸驱动过程中经历了强加载条件下反应、产生碎片并向四周飞散、撞击钢板及后续反应等阶段。活性材料对炸药爆炸产生的空气冲击波具有强化作用，爆炸加载瞬间材料仅发生了部分化学反应。     

不同粒径PMMA粉尘云火焰温度特性研究

为揭示粒径分布对聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）粉尘云火焰温度的影响，本文分别采用热电偶和高速比色测温法测量了开敞空间不同粒径PMMA粉尘云的火焰温度特性。结果表明:相比30 μm粉尘粒子，100 nm粉尘粒子热解/挥发速率较快，燃烧更加充分，粉尘云火焰的最高温度可达1 551℃，而30 μm粉尘云火焰最高温度仅为1 108℃；在微米尺度，随着PMMA粉尘粒径的增大，火焰最高温度和高温火焰区面积先增大后减小；20 μm粉尘粒子由于其分散性较好，裂解气化特征时间尺度与燃烧反应特征时间尺度较接近，燃烧反应充分，火焰最高温度和高温火焰区面积均最大。     

水润滑条件下磨粒尺寸对橡胶密封副摩擦学行为的影响

磨粒磨损是各类机械橡塑密封装备的一种典型失效形式. 本文中开展了水润滑条件下磨粒尺寸对O型橡胶密封配副摩擦学行为的影响研究，分析了不同颗粒尺寸下的摩擦系数时变特性，探讨了不同运行阶段下的磨损形貌、颗粒运动特性和损伤失效机制. 结果表明:颗粒尺寸对橡胶/金属密封副的摩擦学性能有重要影响；研究发现了影响摩擦系数和损伤机制的两个颗粒尺寸临界值；当颗粒尺寸大于临界值约75 μm时，颗粒难以穿过密封界面，但少数颗粒能嵌入到摩擦副的接触区两侧，犁削作用下的金属表面产生较深的犁沟；当颗粒尺寸介于两临界值内时，接触副两侧形成“颗粒嵌入带”，颗粒以单独或颗粒群形式嵌入到橡胶内，尽管犁削了配副金属但也起到了良好的承载作用，表现出较低的摩擦系数并减缓了橡胶的磨损；当颗粒尺寸约小于另一临界值12.5 μm时，颗粒能较自由地通过摩擦界面，对配副金属表面起到了抛光效应，但也加速了橡胶的冲蚀磨损，橡胶磨损表面呈现“突脊-犁沟-突脊”交替特征，因此工程上应尽量避免此类现象的发生.