【摘 要】
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陶瓷基复合材料因其优良的耐高温性能、热稳定性能以及低密度的特点在能源环保、航空航天和生物医学等领域被广泛应用。随着制备工艺的完善,材料原本的脆性已有所降低,但受制备原料纯度、制备环境稳定性和使用过程中的外力因素的影响,材料可能出现微观缺陷,在实际应用中造成重大损失,因此研究缺陷对性能的影响是十分必要的。本文以一种新型轻质陶瓷基复合材料为研究对象,对材料的建模及分析方法进行研究,得到微观缺陷对材料性
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陶瓷基复合材料因其优良的耐高温性能、热稳定性能以及低密度的特点在能源环保、航空航天和生物医学等领域被广泛应用。随着制备工艺的完善,材料原本的脆性已有所降低,但受制备原料纯度、制备环境稳定性和使用过程中的外力因素的影响,材料可能出现微观缺陷,在实际应用中造成重大损失,因此研究缺陷对性能的影响是十分必要的。本文以一种新型轻质陶瓷基复合材料为研究对象,对材料的建模及分析方法进行研究,得到微观缺陷对材料性能的影响规律。具体研究内容分为以下三个方面:1)针对该新型轻质陶瓷基复合材料的微观特性,本文利用扫描电镜和粒径分析软件对其进行扫描分析,得出该材料内部纤维的搭建结构与组成成分,通过计算材料的孔隙率与密度来确定材料类型。利用图像处理的方法对电镜图像中纤维取向进行统计,结果表明在面内方向纤维无明显取向,截面方向纤维取向成正态分布,其取向特征与各向异性层合板分布规律一致。2)针对复杂的内部结构,通过ANSYS Workbench软件建立有限元模型,根据仿真模型数据研究分析材料的基本热力性能。在模型的垂直方向施加外力并观察纤维变形程度,得出该材料具有有效缓解此方向外力冲击的能力,同时验证了材料整体的弹性模量与孔隙率和内部纤维直径之间的关系。材料纤维间的空隙降低了整体的导热系数,且材料有机物在高温条件下分解吸热减少材料内部传递的热量,起到整体隔热的效果。3)针对含缺陷的纤维模型受加载外力后的性能变化,利用CT扫描技术对纤维模型内部缺陷进行检测,结合缺陷检测结果并利用有限元仿真方法对含横向纤维断裂缺陷和纵向纤维断裂缺陷的有限元模型进行研究分析,发现在面内方向施加载荷时更易发生断裂。另外,当材料处于1000℃的高温下时有机物受热分解,由此导致材料整体强度下降。因此,本文的研究工作对于多孔层合板材料缺陷的性能影响研究具有重要意义。
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