空心玻璃微球/环氧复合材料隔热性能数值模拟与实验研究

摘要

复合化是高性能隔热材料设计的重要途径，而数值方法成为目前预测材料性能最为有效的手段。本文以南水北调工程大型混凝土结构表面保温为应用背景，以空心玻璃微球（HGM）/环氧复合隔热材料为研究对象，开展了HGM/环氧复合材料隔热性能数值计算方法、性能预测及组分比设计研究。由于空心玻璃微球本身为两相材料（玻璃、空气），而且尺寸很小，给数值模型的建立带来了极大困难，因此如何对HGM作均匀化处理，是高填充HGM/环氧复合材料隔热性能数值模拟的关键。本文首先建立了低填充下的三相（树脂、玻璃和空气）模型和两相（树脂和均匀化空心玻璃微球）模型，通过两者等效得到HGM有效导热系数；然后基于两相模型，对高填充下的复合材料隔热性能进行模拟预测与实验研究，并分析了多种因素对复合材料导热系数的影响规律；最后对不同组分比下复合材料的粘度、热膨胀系数、粘接强度、抗拉强度等性能进行了实验测试及分析，为复合隔热材料的设计与制备提供依据。本文的主要研究成果如下： （1）研究了HGM均匀化处理方法，得到了HGM有效导热系数。针对低填充复合材料中HGM分散较为均匀、无相互作用的特征，采用随机序列吸附算法建立填料体积分数为5%的复合材料三相和两相细观模型，通过对两种模型隔热性能模拟结果的对比分析，确定了HGM有效导热系数；研究了模型尺寸、壳壁导热系数、空心球形材料粒径及孔隙率等因素对其有效导热系数的影响。 （2）基于均匀化HGM/环氧复合材料两相有限元模型，开展了复合材料隔热性能数值模拟分析与实验研究。根据不同填充量下复合材料中HGM颗粒的分布特征，分别构建不同填充量的复合材料细观模型，对复合材料导热系数进行预测，通过与实测的复合材料导热系数对比，验证了模拟结果的可靠性，并得到复合材料导热系数随填料体积分数增加呈线性减小趋势；研究了模型尺寸及有效导热系数对复合材料导热系数的影响规律。 （3）开展了HGM/环氧复合隔热材料的粘度、热膨胀系数、粘接强度及抗拉强度等物理力学性能试验研究，分析了组分比对复合材料性能的影响，综合考虑复合材料的隔热性能、力学性能及工艺性，给出了HGM/环氧复合材料的较佳组分比。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题来源及研究背景

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 复合材料有效性能研究方法

1.2.2 空心球形材料有效导热系数预测

1.2.3 复合材料导热系数预测

1.3 本文的研究意义及主要内容

第二章 HGM有效导热系数的确定及影响因素研究

2.1 HGM有效导热系数的确定

2.1.1 HGM材料参数确定

2.1.2 HGM有效导热系数求解步骤

2.1.3 有限元模型的建立

2.1.4 控制方程及边界条件

2.1.5 HGM有效导热系数数值分析

2.1.6 HGM有效导热系数理论对比分析

2.2 空心球形材料隔热性能的影响因素研究

2.2.1 模型尺寸对预测空心球形材料有效导热系数的影响

2.2.2 壳壁导热系数对空心球形材料有效导热系数的影响

2.2.3 粒径对空心球形材料有效导热系数的影响

2.2.4 孔隙率对空心球形材料有效导热系数的影响

2.3 小结

第三章 HGM/环氧复合材料隔热性能数值模拟与实验验证

3.1 HGM/环氧复合材料隔热性能数值模拟

3.1.1 有限元模型的建立

3.1.2 HGM/环氧复合材料隔热性能数值分析

3.2 HGM/环氧复合材料隔热性能实验验证

3.2.1 HGM/环氧复合材料试件制备

3.2.2 HGM/环氧复合材料表征及隔热性能研究

3.3 HGM/环氧复合材料隔热性能影响因素研究

3.3.1 模型尺寸对预测复合材料导热系数的影响

3.3.2 HGM有效导热系数对HGM/环氧复合材料导热系数的影响

3.4 小结

第四章 HGM/环氧复合隔热材料设计与实验研究

4.1 HGM/环氧复合材料配合比

4.1.1 树脂的配比

4.1.2 HGM填料体积分数的确定

4.2 HGM/环氧复合材料热膨胀系数研究

4.2.1 试样制备及测试方法

4.2.2 测试结果及分析

4.3 HGM/环氧复合材料粘接强度研究

4.3.1 试样制备及测试方法

4.3.2 测试结果及分析

4.4 HGM/环氧复合材料抗拉强度研究

4.4.1 试样制备及测试方法

4.4.2 测试结果及分析

4.5 小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参加的科研项目