多孔铜纤维烧结毡微观结构与性能表征研究

摘要

多孔铜纤维烧结毡是一种具有三维网状金属纤维骨架结构和全联通孔隙结构特征的新型功能材料，其凭借分层开孔、可控孔隙率、渗透性和毛细作用等特征，被广泛应用于过滤和分离、催化反应、燃料电池、吸声、气体扩散等各个领域。在其研究工作中，分析其内部形态结构与外在性能之间的关联，实现内部结构的预设计，对降低其实际制造的盲目性，提升材料加工效率和优化材料性能等具有重要意义。
　　本文通过Micro-CT扫描获得多孔铜纤维烧结毡样品内部结构图像信息，并将其转化为数字化三维模型，实现对其内部纤维形态的数据统计，并根据形态统计结果构建了参数可控主动设计模型。同时，对经烧结处理的铜棒进行单向拉伸实验，获得了多孔铜纤维烧结毡的基础性能以及有限元分析所需的基础参数，考虑了网格划分方法和网格尺寸对其仿真精度的影响。将拉伸试验仿真结果与实验数据进行了比较，验证了构建模型的有效性后对模型内部形态进行微调获得其对拉伸性能的影响规律。模拟计算结果表明，随着孔隙率的减小和纤维朝向趋向于xy平面，多孔金属纤维烧结板拉伸曲线上移，屈服强度和杨氏模量随之上升，而随着纤维直径的增大，其拉伸性能呈现波动变化。
　　对应用于传输性能仿真的烧结毡模型纤维表面进行了优化，并将优化前后的仿真结果与实验测量结果进行了比较，证明表面优化后的模型提高了仿真的准确性。在不同结构特征和边界条件下，对优化模型内流体的流速分布、压降分布等流体传输性能进行了数值模拟，探究了不同边界条件和孔隙率对其流体传输性能的影响机制。模拟结果显示:多孔铜纤维烧结毡独特的内部网状结构对流经其内部流体的流速有显著的增强作用，并且随着孔隙率的减少，增强作用得到加强;多孔铜纤维烧结毡在z轴方向上对流速的增强作用高于x轴方向;多孔铜纤维烧结毡内部压降随着孔隙率和入口流速的增加而增大。
　　本文通过对多孔铜纤维烧结毡主动设计模型的构建，获得了其内部形态结构与其外在性能之间的关联并将其量化，优点在于能够快速甄选取出最优化设计方案，节省新产品的研发经费，缩短研发周期，对推动多孔材料在相关领域的运用具有重要意义。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景与意义

1．2 多孔材料数字化描述国内外研究现状

1．2．1 抽象代表体元法

1．2．2 Micro-CT扫描法

1．3 多孔材料微观结构对其宏观性能影响国内外研究现状

1．4 研究内容

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

2．1 引言

2．2 多孔铜纤维烧结毡的制造

2．2．1 铜纤维的加工

2．2．2 多孔铜纤维烧结毡的制造工艺

2．3 多孔铜纤维烧结毡微观形态分析

2．3．1 多孔铜纤维烧结毡微观形态分析的技术路线

2．3．2 CT扫描的方法与结果

2．3．3 三维模型重构和骨架提取

2．3．4 多孔金属纤维微观形态分析

2．4 本章小结

第3章 Solidworks二次开发和参数可控模型的构建

3．1 引言

3．2 SolidWorks二次开发关键技术及方法

3．2．1 SolidWorks API

3．2．2 开发方法和开发工具的选择

3．2．3 开发平台的搭建

3．3 参数可控主动设计模型的构建

3．3．1 形态参数的确定

3．3．2 单根纤维的生成

3．3．3 参数可控模型的生成

3．4 多孔铜纤维烧结毡模型生成实例

3．5 本章小结

第4章 多孔铜纤维烧结毡微观结构特征对其机械性能影响研究

4．1 引言

4．2 ABAOUS用多孔铜纤维烧结毡材料基础参数的确定

4．2．1 单向拉伸实验试件制备

4．2．2 单向拉伸实验装置与方法

4．2．3 实验结果分析

4．2．4 ABAQUS用材料参数的确定

4．3 多孔铜纤维烧结毡有限元模型的建立

4．3．1 创建部件

4．3．2 创建材料和截面属性

4．3．3 设置分析步和输出变量

4．3．4 定义载荷和边界条件

4．3．5 网格方案和尺寸的选择

4．4 多孔铜纤维烧结毡单向拉伸实验

4．5 多孔铜纤维烧结毡单向拉伸数值模拟结果与分析

4．5．1 孔隙率对烧结毡拉伸性能的影响研究

4．5．2 纤维直径对烧结毡拉伸性能的影响研究

4．5．3 纤维朝向对烧结毡拉伸性能的影响研究

4．5．4 多孔铜纤维烧结毡微观结构和拉伸性能的耦合关系

4．6 本章小结

第5章 多孔铜纤维烧结毡几何模型优化与传输性能研究

5．1 引言

5．2 ANSYS Fluent建模的基本步骤

5．2．1 几何建模

5．2．2 网格划分

5．2．3 边界条件设置

5．2．4 后处理

5．3 烧结毡有限元模型的建立

5．4 烧结毡有限元模型的优化后性能分析和实验验证

5．4．1 有限元模型的优化

5．4．2 性能分析和实验验证

5．5 多孔铜纤维烧结毡传输性能数值模拟结果与分析

5．5．1 入口流速的影响

5．5．2 孔隙率的影响

5．5．3 入口方向的影响

5．5．4 压降分布

5．6 本章小结

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

附录

参考文献

致谢