泡沫铝中高温有效导热系数与线膨胀系数的实验和理论研究

摘要

由于集轻质和多种特殊物理性质于一体，泡沫金属有望用作多功能元件，近年来引起了学术和工业界的广泛关注。例如，闭孔泡沫铝因具有极高的比强度和较低的有效导热系数，被认为是中高温环境下兼具承载和隔热功能的绝佳材料。有关泡沫金属力学性能的研究开展很早，对孔形态、缺陷、孔壁材料物性以及加载工况等各种因素的影响做了充分讨论。相比之下，泡沫金属热学性能的研究还不够完善。尽管前人为测量泡沫金属的有效导热系数做了不少工作，但大多仅关注室温下的性质，且未深入分析结构参数与孔壁材料物性的影响。为计算泡沫金属的有效导热系数，前人使用有限元(FEM)、有限体积(FVM)以及蒙特卡洛(MCM)等方法对多种结构模型做了讨论。但是，有效导热系数与孔结构参数之间的基本关系仍不十分明确。此外在受热条件下，线膨胀系数对构件热变形及热应力的大小和分布有重要影响，然而有关泡沫金属热膨胀性能的研究却鲜有报道。因此，本文作者就泡沫金属的传热和热膨胀性能开展了以下工作。
　　使用X射线衍射(XRD)、X射线荧光(XRF)、纯氧燃烧法、差示扫描量热(DSC)、核磁共振(NMR)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等技术手段测试了闭孔泡沫铝孔壁材料的成分、热特性以及光谱特性，发现孔壁材料主要由Al、Al4Ca及Ti2Al20Ca三种物相构成，且在300至500℃温度范围内会发生可能因残余H原子在Ti2Al20Ca晶格中重新分布导致的有序/无序相变。特别地，尝试测量了孔壁材料的导热系数，并对实验难点和潜在可用方案做了讨论。孔壁材料压片导热系数的测量结果表明孔壁材料导热系数随温度升高而降低。
　　测量了闭孔泡沫铝在100至500℃温度范围内的线膨胀系数，并结合孔壁材料的测试结果讨论了相对密度、温度以及成分的影响，结果表明:闭孔泡沫铝的线膨胀系数与孔壁材料相同，与相对密度无关;由于残余拉应力释放，首次加热过程中瞬时线膨胀系数随温度升高而下降甚至出现负值;当温度超过300℃，可能由于残余氢重新分布导致Ti2Al20Ca晶格发生收缩，瞬时线膨胀系数表现出滞回效应。
　　建立稳态比较法，测量了闭孔泡沫铝在100至500℃温度范围内的有效导热系数。实验结果表明，有效导热系数总体上随相对密度的增大而增大，随温度升高而略有降低。在深入分析泡沫金属的传热性能之前，计算了较广参数范围内立方体单元模型的有效导热系数，以提炼多孔材料传热的普遍规律和关键参数。立方体单元模型的分析结果表明:温度低于500℃时，泡沫金属中辐射传热所占比例低于10％，孔壁导热则居主要地位;孔壁弯曲、孔形状各向异性、孔棱质量集中等结构特征对泡沫金属的有效导热系数有重要影响。忽略热辐射和气体导热，推导得到了用相对密度、孔壁导热系数及新定义的形状因子之乘积表示的泡沫金属有效导热系数的通用关系式，其中形状因子的物理本质为无量纲温度梯度基于孔壁材料体积的加权平均。引入均匀温度梯度假定，推导发现形状因子可表示为泡沫金属孔壁体积（长度）和取向的函数。在此基础上使用图像分析方法分析和比较了多种模型及真实泡沫铝的形状因子，发现:闭孔泡沫铝的形状因子在宏观上各向同性;多面体模型较真实闭孔泡沫铝的形状因子明显偏大，相比而言Voronoi模型与真实闭孔泡沫铝的形状因子比较接近。特别地，依据有效导热系数的通用关系式，由有效导热系数、相对密度以及形状因子的实测值反推得到了闭孔泡沫铝的孔壁导热系数，发现不同试样的孔壁导热系数存在较明显的差异，且均随温度升高而略有降低。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 力学性能的研究现状

1．3 传热性能的研究现状

1．3．1 多孔材料传热概述

1．3．2 泡沫金属传热的实验研究

1．3．3 泡沫金属传热的理论与计算研究

1．4 热膨胀性能的研究现状

1．5 本文的主要内容

第2章 孔壁材料的分析测试

2．1 引言

2．2 成分分析

2．2．1 元素分析

2．2．2 物相分析

2．3 热分析

2．4 核磁共振与傅里叶红外光谱分析

2．4．1 核磁共振分析

2．4．2 傅里叶变换红外光谱分析

2．5 孔壁导热系数测试

2．5．1 熔融法和压片法

2．5．2 孔壁导热系数测量方法展望

2．6 小结

第3章 线膨胀系数

3．1 引言

3．2 线膨胀系数测量

3．3 密度与成分的影响

3．4 残余应力的影响

3．5 相变的影响

3．5．1 滞回现象的真实性

3．5．2 滞回现象的产生机理

3．6 小结

第4章 有效导热系数

4．1 引言

4．2 有效导热系数实验

4．2．1 DRS导热系数测量仪简介

4．2．2 热流测量方法改进

4．2．3 表面温度测量方法探索

4．2．4 实验方案精确性评估

4．2．5 泡沫铝有效导热系数测试结果及分析

4．2．6 夹芯板泡沫铝有效导热系数测试结果及分析

4．3 多孔材料传热的一般性讨论

4．3．1 模型简介

4．3．2 孔壁导热系数的影响

4．3．3 热辐射的影响

4．3．4 孔隙率的影响

4．3．5 温差的影响

4．3．6 孔形状各向异性的影晌

4．3．7 孔壁弯曲的影响

4．3．8 孔棱质量集中的影响

4．4 有效导热系数的图像分析方法

4．4．1 基本关系式的推导

4．4．2 图像分析方法

4．4．3 二维多孔结构有效导热系数分析

4．4．4 三维多孔结构有效导热系数分析

4．4．5 闭孔泡沫铝有效导热系数分析

4．4．6 图像分析方法推广用于有效弹性模量分析

4．5 关于孔壁导热系数的讨论

4．6 小结

第5章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 主要创新点

5．3 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果