切向气流对激光辐照树脂基复合材料的影响

 为了考察切向强迫气流对激光辐照下树脂基复合材料热响应的影响,基于边界层换热理论,研究了切向气流与靶面的对流换热系数和热分解气体对表面热交换的覆盖效应,并用有限差分法对激光辐照下树脂基复合材料的1维热响应模型进行数值求解。数值计算表明：高速切向气流的存在会加速靶材表面与外部环境的热交换,从而明显降低激光对靶材的加热效率;边界层换热理论给出的对流换热系数和覆盖因子是合理有效的,适用于数值模拟切向气流对激光辐照下树脂基复合材料热响应的影响;向靶材表面溢出的热分解气体对靶材表面与外部环境的热交换有一定的抑制作用,但影响较小,基本可以忽略不计。     

激光辐照下复合材料热响应的轴对称数值分析

为了模拟激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态热响应,建立了轴对称计算模型。模型考虑了激光辐照过程中基体热分解、质量迁移、比热容和热导率等物理量的变化情况。采用有限元方法求解控制方程,边界条件包含了激光辐照、对流换热以及辐射换热。在此基础上编写了计算程序,预测了激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态温度场和基体热分解状况。为了校核模型,开展了激光辐照碳纤维复合材料试验。计算结果与试验数据比较表明,模型预测的复合材料温度-时间曲线与试验结果较好吻合,在较低功率密度激光辐照下复合材料热响应以基体热分解为主,与试验烧蚀形貌观察结果一致。     

激光对碳纤维增强复合材料的热烧蚀数值模拟

高能激光对复合材料的辐照效应研究,可以拓展激光技术的应用范围。为了预测激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态热响应,提出了一个简化计算模型。采用隐式有限体积方法求解控制方程,边界条件包括激光辐照加热、对流换热、辐射换热以及材料表面烧蚀。考虑了激光辐照过程中基体热分解、质量迁移、比热容变化情况。基于该烧蚀模型,预测了激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态温度场和表面烧蚀速率,计算结果与文献试验数据一致。最后,通过修正烧蚀模型分析了高速气流剥蚀对激光辐照复合材料热效应的影响。     

玻璃纤维/环氧树脂复合材料热分解动力学参数的确定

采用热重分析仪对空气和氮气气氛中的玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料进行热分析,得到该材料在空气气氛中的烧蚀热为3125～3440J/g,而在氮气气氛中并未出现明显的氧化放热峰。基于阿伦纽斯形式的多步分解模型和直接解法,计算了该材料在空气气氛中的热分解动力学参数。分析表明:阿伦纽斯形式的多步分解模型能够较好地描述该材料的热分解过程;直接解法适用于计算复合材料的热分解动力学参数;确立的热分解动力学参数是正确有效的。     

0.53 μm毫秒脉冲激光对GaAs热分解损伤特性

针对波长0.53 m的毫秒脉冲激光辐照GaAs的表面热分解损伤问题,建立了二维轴对称热传导模型,在考虑材料的热物性参数随温度变化的基础上,采用有限元法模拟了材料的瞬态温度场,得到了温度场分布特征及其随时间的变化规律,给出了材料表面发生热分解损伤阈值曲线。数值结果表明:毫秒脉冲激光对GaAs作用时,热传导影响着激光作用全过程,对应的损伤机理主要为热损伤;在激光作用下,被作用表面中心处温度最高,并且首先发生热分解损伤;随着作用激光能量密度的增加,GaAs表面发生热分解损伤的时刻不断提前。     

连续激光辐照GaAs材料损伤的数值模拟计算

基于热传导理论,构建了高斯分布的连续激光辐照GaAs材料的二维轴对称非稳态物理模型,且利用多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics求解热传导方程得到了材料表面温度分布曲线以及光斑中心处温度沿厚度方向分布曲线,并得出GaAs材料的分解损伤时间与入射光功率密度的关系曲线.研究表明,在连续激光辐照下,GaAs材料可能会发生分解损伤,激光功率越高,材料被破坏所需的时间越短.理论计算结果与相关的实验结论一致,说明所建立的激光辐照效应模型具有科学性.     

重频激光作用下碳纤维/环氧树脂复合材料热损伤规律

 运用热化学分析、扫描电子显微技术等手段,分析了碳纤维增强环氧树脂基复合材料在ms量级重频激光辐照下的损伤形式,研究了峰值功率密度、辐照时间、重复频率和脉冲宽度等对复合材料烧蚀规律的影响。研究结果表明：在激光辐照过程中,复合材料树脂基体在300 ℃开始裂解;由于裂解气体的保护作用,碳纤维不发生氧化,而是在汽化点（3 300 ℃）汽化烧蚀;复合材料热烧蚀率随峰值功率密度和重复频率提高而增大,随辐照时间增加而减小,最终均趋于定值;增加脉冲宽度可以提高辐照区峰值温度,降低碳纤维损伤的功率密度阈值。     

532nm长脉冲激光致GaAs热分解损伤的半解析法分析

考虑到GaAs具有受热分解的特性,采用热传导理论和半解析法研究了波长532nm的毫秒量级长脉冲激光致GaAs的表面热分解损伤．首先,建立了激光辐照GaAs的二维轴对称瞬态温度场及表面热分解损伤阈值的计算模型,模拟了吸收率不同时,GaAs的瞬态温度场分布及热分解损伤阈值．计算结果表明：较高的吸收率引起GaAs表面的温升较高,但所需的热分解损伤阈值较低;增加作用激光能量密度,GaAs表面发生热分解损伤随之提前．本文研究结果对激光与GaAs相互作用及其损伤机理的研究具有指导意义和实用价值．     

激光相变烧蚀二维结构网格程序的数值计算

研究激光相变烧蚀二维结构网格程序,对液-气相变、固液汽三相物质进行整体模拟.激光相变烧蚀二维结构网格程序采用气化相变开始后在迎激光方向局部加密的重分方法,动量守恒方程采用Wilkins三角形回路积分法,能量守恒方程采用基于节点重构的扩散方程有限体积格式.     

对等温条件下理想气体伯努利方程的讨论

在普通物理中一般只介绍理想流体的伯努利方程。由于气体具有显著的可压缩性,定量分析气体参量和流速的关系时还应考虑密度变化的影响。当气体与热库良好地接触,且膨胀和压缩过程进行得较为缓慢时可以视为等温过程。在《等温条件下可压缩理想气体的伯努利方程》一文中利用能量守恒导出了等温条件下理想气体满足的伯努利方程,但在推导过程中由于忽略了气体与外界的热传递导致结果存在问题。本文指出了其不当之处,用两种方法给出了正确的推导,并基于导出的结果简要讨论了气体压强与流速的关系。     

基于TG-FTIR的杨木热解过程中脲醛树脂影响机理的模型物研究

热解是废弃人造板高效回收利用的方式,人造板中所含胶黏剂是其不同于生物质的主要特征。为了有效环保地利用热解技术处理废弃人造板,解明人造板热解过程中其所含脲醛树脂胶黏剂(UF)对木材热解特性的影响,深入探索UF对人造板中木材各组分的作用机制,以杨木及木材的三种主要组分(纤维素、半纤维素、木素)为研究对象,创新性地依据杨木的化学组成,以纤维素、木聚糖和木素配制成模型物,并加入UF模拟人造板的构成。利用热重红外光谱联用(TG-FTIR)分析法,对比分析了加入UF前后模型物以及杨木各主要组分的热失重特性及气相演变规律。热重及红外结果表明,UF促进了纤维素热解过程中水和羧酸类物质的生成。UF与木素结合生成热不稳定的含氮结构,释放大量氨气,并且在200～300 ℃区间内参与了木素的热解并直接影响木素热解产物的生成。由此推测,在人造板热解过程中,木材三种主要组分中与UF作用的主要成分是木素。     

综合流动和传热的废轮胎回转窑热解模型

废轮胎在回转窑内的热解主要受到气-固相流动、传质和传热及化学反应动力参数等因素的影响。在对回转窑 内固体颗粒运动、传热传质进行分析的基础上,结合对轮胎热解反应动力学的研究,发展了综合流动、传热的废轮胎回转 窑热解模型,可计算得到回转窑内热解的温度分布、物料转化率、产物得率等。模型计算结果与试验结果吻合较好。     

Non-isothermal kinetics of styrene-butadiene-styrene asphalt combustion

The combustion characteristics of styrene-butadiene-styrene （SBS） asphalt are studied by thermogravimetric analysis （TG/DTG） at four different heating rates. According to the saturates/aromatics/resins/asphaltenes （SARA） fractionation method, the combustion process of SBS asphalt can be divided by Gaussian peak fitting into three main stages： oil content release, resin pyrolysis, and asphaltene and char combustion. When the heating rate increases, the mass losses of the oil content and resin pyrolysis increase, and less asphaltenes are formed at a higher temperature. The activation energy values are calculated by the Coats-Redfern method to be in the range 61.6 kJ/mol-142.9 kJ/mol. The Popescu method is used for the kinetic analysis, and the result shows that the three stages of asphalt combustion can be explained by the sphere phase boundary reaction model, the second order chemical reaction model, nucleation, and its subsequent growth model, respectively.     

切向气流作用下玻璃纤维复合材料的激光辐照效应

实验研究了样品表面有切向空气气流、切向氮气气流和无气流时,976 nm连续激光对玻璃纤维增强E-51环氧树脂复合材料的辐照效应。结果表明:无气流时,喷出的热分解产物会对入射激光产生屏蔽作用;有气流时,激光对玻璃纤维的破坏方式是其升温熔化后再被切向气流带走;当激光功率密度较低时,切向空气气流以加强样品表面的对流冷却作用为主,不利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏;当激光功率密度较高时,切向空气气流以降低屏蔽作用和提供氧气助燃为主,有利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏。三种气流状态下,质量损失随功率密度呈现单调增加趋势,当入射激光功率密度在100~600 W/cm2范围内,随着功率密度的增大,激光能量的利用效率逐渐增大并趋于稳定。     

液化残渣的微波热解与常规热解对比分析

采用微波加热和常规电加热两种条件进行液化残渣(DCLR)的热解实验,考察了热解产物固体焦、焦油及煤气的组成及结构的变化规律,采用红外分析(FTIR)与气相色谱-质谱(GC-MS)联用技术对热解产品进行了分析表征。研究表明,在微波场中,DCLR的升温速率很快,20 min左右物料温度就可达到900 ℃,最大升温速率可达到329 ℃·min-1,而常规加热的升温速率基本保持恒定。与常规热解相比,微波热解后固体焦的产率降低2.85%,而焦油和煤气产率分别增加了0.66%和2.19%。DCLR热解后固体焦的索氏萃取组分重油(HS)、沥青烯(A)及前沥青烯(PA)含量均大幅降低,而四氢呋喃不溶物(THFIS)则有所增加,但是两种热解条件下得到的固体焦的四种索氏组成差异不是很大,说明DCLR的热解过程是以HS,A与PA的转化为主的。微波热解后固体焦红外谱上3 437.6,1 632.0 cm-1以及1 079.99 cm-1处吸收峰的强度与常规热解相比明显降低,说明微波场中DCLR的热解更为彻底。热解后焦油和煤气产率均有所增加,煤气中H₂含量均达到60%以上。GC-MS分析表明,经由石油醚萃取后的热解焦油中脂肪类、芳香类与醇类物质组成以及C_1~5,C_11~20与C₂₀以上组分的含量均没有发生明显变化,而微波热解焦油中沥青质的含量则下降了7.7%,说明微波作用可有效促进DCLR中沥青质的热分解,有利于热解焦油的轻质化。     

Electronic response in mesoscopically disordered zinc oxide probed by terahertz spectroscopy

Terahertz spectroscopy is applied for characterizing the high frequency transport of electrons in polycrystalline ZnO films deposited by spray pyrolysis. Electromodulation of the charge carrier density provides the frequency dependent conductivity of the electron gas. Amplitude and phase of the high frequency response are well reproduced by the Drude–Smith model.     

低变质煤-循环煤气微波共热解研究

低变质煤干馏热解生产兰炭、煤焦油、煤气被认为是其清洁高效转化利用的最佳途径。现有主流生产工艺普遍对原煤具有一定的粒度要求,煤焦油产量较低、质量不高,煤气中H₂,CH₄,CO等有效组分含量较低。为进一步提高低变质煤热解时煤焦油收率和质量,提出将微波热解低变质煤产生的煤气循环通入微波热解反应器中,进行低变质煤-循环煤气微波共热解。结合FTIR及GC-MS等对热解产品的分析表征,系统考察了微波功率、热解时间、煤样粒度对热解产品收率及组成的影响。研究结果表明： 低变质煤在循环煤气流量为0.4 L·min-1、微波功率为800 W、热解时间为40 min、煤样粒度为5～10 mm的工艺条件下热解,所得固体产品兰炭收率达62.2%,液体产品（煤焦油和热解水）收率达26.8%。不同微波功率及热解时间下所得兰炭红外谱线基本重合; 不同粒度煤样热解所得兰炭中—OH,CO, CC和C—O官能团含量差别较大。提高微波功率、延长热解时间、减小煤样粒度均有利于煤焦油的轻质化。     

Insight into the calcium carboxylate release behavior during Zhundong coal pyrolysis and combustion

In this paper, the dynamic behavior of calcium carboxylate release during Zhundong coal pyrolysis and combustion is studied via reactive molecular dynamics (ReaxFF MD) simulation. The molecular structure model of Zhundong coal is constructed based on the combination of the classic Hatcher coal model and experimental characterizations. Pyrolysis simulations on the coal model are performed at different temperatures ranging from 2000 K to 2800 K. The pyrolysis experiments are also carried out to validate the ReaxFF simulation. The results show that most of the calcium are released into the volatiles by the thermal decomposition of CM-Ca (coal/char matrix with calcium bonded) after releasing CO₂. The distributions of the calcium bonded to gas, tar and inorganics as well as the atomic calcium in the volatiles are quantitatively classified. The thermal cracking of tar fragments are significant at high temperatures leading to the conversion of calcium from tar into the organic gas. Furthermore, the nascent char model is constructed to study the release behavior of calcium in char combustion stage. The calcium is initially released in the form of oxidized calcium and atomic calcium. With increasing temperature, the oxidized calcium trends to convert to the organically bonded calcium. By using the Arrhenius expression, the kinetic parameters for the release of calcium into various species during pyrolysis and char combustion stages are quantitatively determined.     

聚乙烯与水反应的高温高压实验及热力学探讨

 在金刚石压腔设备中进行聚乙烯的高温高压裂解实验研究。实验分含水和不含水两种情况。在显微镜下观察反应过程中的变化并显微照相记录有关现象,在高压下就位测定反应过程中荧光的变化。用气相色谱方法测定气相产物组成。含水实验中CH₄占烃类气体产物的92%并有CO₂生成,固体残余物非常少,表明水直接参与了化学反应,为烃类气体的形成提供氢源,为CO₂的形成提供氧源。不含水实验中烃类气体的产率相对较低并有较多的固相残余物存在。用热力学理论探讨了实验中有关反应的机制。根据聚乙烯与干酪根结构的可比性,推测在水参与条件下有利于提高有机质裂解成烃的产率。