多孔材料模型分析（精选七篇）
多孔材料模型分析 篇1
1 传质模型
干燥是一个涉及传热、传质的复杂过程,还常常伴随着物料体积和表面积的变化。热空气干燥过程中,水分从物料内部向表面扩散迁移,然后由物料表面通过对流扩散至热空气中;同时热量通过对流传热由热空气传至物料表面,再通过传导由物料表面传至物料内部。由于干燥过程中物料的热传导速率远远大于水分扩散速率,本研究将热空气对流干燥假定为恒温对流干燥,即物料温度恒为热空气温度,不考虑热空气与物料之间的对流传热及物料内部的热传导。物料内部水分扩散可由式(1)描述。
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对于薄片形物料,k=0;对于长圆柱形物料,k=1;对于球形物料,k=2。初始条件及边界条件为:
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式中:m为物料颗粒局部干基含水率;m0为物料颗粒初始干基含水率;me为物料的干基平衡含水率;m、m0、me均为质量比,t为时间,s;r为某点到物料中心的距离,m,Deff为物料水分扩散系数,m2/s。
2 半径收缩与平均干基含水率呈线性关系模型
干燥过程中,香蕉圆柱面收缩与其平均干基含水率的关系由实验数据拟合[9]:
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式中:R0为香蕉的初始半径,m;r(n)为干燥第n时间步香蕉圆柱面半径,m;undefined(n)为干燥第n时间步香蕉平均干基含水率(质量比)。
将香蕉圆柱半径收缩与其平均干基含水率实验关系式(式(3))应用到香蕉内各离散单元,可以得到:
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式中:r(n,i)、r(n,i-1)分别为第i单元第n时间步外边界和内边界半径,m;r(0,i)、r(0,i-1)分别为第i单元初始外边界和内边界半径,m;m(n,i)分别为第i单元第n时间步的局部干基含水率(质量比)。
根据圆柱形香蕉干燥传质模型(式(1)、(2))计算得到香蕉各离散单元局部干基含水率,然后将香蕉各离散单元局部干基含水率代入香蕉组织收缩递推模型(式(4)、(5)),可以得到香蕉各单元层外边界半径、外边界位移以及各单元层厚度变化量分别随干燥时间的变化曲线(图1-图3)。
将这些计算结果跟利用体积收缩与平均干基含水率的线性实验关系式应用到各离散单元计算得到的豌豆各单元外边界半径、外边界位移及单元层厚度变化量随干燥时间变化曲线[8]相比较,可以看到将半径收缩与平均干基含水率的线性实验关系式应用到各离散单元计算得到的香蕉各单元外边界半径、外边界位移及单元层厚度,能够从某种程度上反映香蕉干燥时内部组织收缩的物理特性,即先失水的香蕉外层单元先收缩,滞后失水的内层单元滞后收缩。
根据圆柱形香蕉干燥传质模型(式(1)、(2))计算得到香蕉各离散单元局部干基含水率,然后将香蕉各离散单元局部干基含水率代入香蕉组织收缩递推模型(式(4)、(5)),计算得到香蕉半径;同时根据整体收缩模型(式(3)),由平均干基含水率计算得到香蕉半径,将两种模型得到的香蕉半径收缩曲线作比较(见图4)。从图4可以看出,在干燥的初始阶段,组织收缩递推模型计算得到的香蕉半径随干燥时间的收缩量小于由整体收缩模型计算得到的香蕉半径收缩量;递推模型和整体收缩模型计算得到的半径收缩量相差较大。随着干燥时间的延长,两种模型计算结果的差异呈缩小趋势,在干燥50h后,二者的差异消失。由于整体收缩模型是根据实测数据拟合得到的、与香蕉实际收缩相符的经验公式,因此从递推模型得到的香蕉半径收缩情况与实际情况有差异。所以,将香蕉半径收缩与平均干基含水率的实验关系式(式(3)),应用到香蕉内各离散单元以研究香蕉内部组织干燥时的收缩规律,是不可行的。
3 Possion公式模型
香蕉薄片的组织收缩模型可用Possion公式描述:
-ᐁ·(ᐁs)=0 (6)
式中:s为香蕉内部各点的位移。香蕉薄片的边界条件(即香蕉薄片顶层外边界的收缩位移)为:
s|surface=Z0-z(n) (7)
边界条件(式(7))表示香蕉薄片厚度为时间的函数,z(n)由文献[10]求得。
初始条件为:
s=0; t=0 (8)
根据香蕉薄片传质模型(式(1)、(2))和Possion公式组织收缩模型(式(6)-(8))计算得到的香蕉薄片各节点收缩位移及收缩速度分别随干燥时间的变化曲线如图5和图6所示。从图5可以看到,由Possion公式组织收缩模型计算得到的香蕉薄片各节点收缩位移随时间的变化关系不能客观地反映干燥过程中香蕉片组织收缩随香蕉薄片干基含水率变化的真实情况,即先失水的香蕉薄片外层组织先收缩,滞后失水的内层滞后收缩。Possion公式收缩模型的计算结果是香蕉薄片各单元节点同步地以不同的收缩量进行收缩,这与包括香蕉薄片组织收缩在内的运动传播需要时间的理论相矛盾。
从图6(图中曲线从上到下依次是香蕉薄片顶部表面到底面节点收缩速率曲线)可以看到,香蕉薄片干燥开始时,各节点的收缩速度不同,这与Possion公式收缩模型初始条件t=0、s=0,香蕉薄片各节点初始收缩速度v=0相矛盾。综合对图5和图6的分析可知,以Possion公式收缩模型计算得到的香蕉薄片各节点收缩不能反映香蕉薄片干燥时节点收缩的真实情况。
4 结论
(1)将物料半径与物料平均干基含水率呈线性关系模型(或者说物料体积与平均湿度非线性关系模型)应用到各离散单元通过组织收缩递推模型计算得到的物料体积收缩,与物料体积与平均湿度非线性模型计算得到的物料体积收缩不一致,物料干燥过程中的组织收缩不能由物料体积与平均湿度非线性关系模型应用各离散单元研究。
(2)Possion模型不能反映干燥过程中随着水分的扩散蒸发物料组织收缩内层滞后于外层的物理特性,利用Possion模型研究物料组织收缩也是不可行的。
摘要：将半径收缩与平均干基含水率呈线性关系模型和Possion公式模型应用于香蕉各离散单元,对香蕉组织收缩进行了计算。结果表明,前者虽能够定性反映香蕉干燥过程中内部组织收缩的物理特性,但是其预测的香蕉半径收缩情况与实测结果相差较大;而后者不能反映香蕉内部组织失水滞后收缩现象。
关键词：香蕉,非稳态收缩,对流干燥,非线性体积收缩模型,Possion模型
参考文献
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多孔材料多目标结构优化设计 篇2
【关键词】多孔材料；多功能；优化设计
0.引言
随着工业装备和航空航天的迅猛发展，对高性能材料的设计提出了更高的要求，如：轻量化、高刚度、高散热、抗冲击性和多功能化应用等。多孔金属材料因其优良的性能和广泛的应用前景，近年来成为研究的焦点。
多孔金属材料性能与孔结构直接相关，孔隙率与多功能性能相关。改变孔隙率和孔的结构将影响材料的综合性能。因此，可根据不同需求对其结构多学科优化设计。本文将结合多孔材料的性能表征，对轻质多孔材料进行多功能化优化设计。
1.多孔材料多功能特性
多孔金属材料具有独特的多功能特性，包括：
（1）多孔材料的密度远远小于实体材料的密度。不同多孔材料孔结构不同，一般孔隙率都较高。
（2）抗冲击性 多孔金属在承受压应力时产生塑性变形，大量的冲击量被转变为塑性能，以热量形式耗散。
（3）高刚性 蜂窝多孔材料有很好的力学性能，同时其性能有较强方向性。
（4）高散热性多 孔金属是优良的传热介质，可以作为飞行器和超高速列车的散热装置。此外，在高孔隙中流过冷却剂，可达到冷却和承载的目的，在航天结构领域有广泛应用。
（5）吸声效果 与传统材料相比， 多孔泡沫结构吸声效果良好。
综上所述， 多孔材料具有高刚度、高强度、轻量化和高散热性等明显优势。多孔金属既是优良的结构材料，也是性能优异的功能材料，在交通、海洋采油、航空航天、医疗等领域中有着重要意义。多孔材料不仅性能优良，也降低能源消耗和减少环境污染。
2.多孔材料的性能表征
2.1 多孔金属材料静力学性能
在恒定载荷下，对轻质多孔金属材料的静力学性能研究。当这些构件比较复杂时，一般采用数值方法来研究其破坏变形；当宏观结构较为单一简单时，本构理论也较简单，且计算效率高，往往是数值方法中的主要方法。
本章使用ANSYS有限元程序进行有限元分析，由于结构较为复杂，模型使用三维四面体单元。材料杨氏模量为70GPa，屈服应力为150MPa，泊松比为0.3。
建立多孔金属材料有限元模型，有限元分析表明，该材料弹性模量和压缩强度均明显提高，材料弹性模量随孔径比的增加而增大，压缩屈服应力随孔径比的增加先增大后减小。对压缩变形机理进行讨论，变形主要为斜杆的弯曲变形，同时，小杆的弯曲变形机制使表现出不同的塑性流动特性。
研究表明，随着孔径比的增大，材料表现出不同的流动行为。材料塑性变形主要集中在斜杆上，孔洞的四个顶点处几乎没有变形，因此，斜杆的弯曲是泡沫金属压缩时的主要变形机制。提高孔径比，弯曲刚度显著提高，且塑性应变集中在压缩方向的小杆上。当小杆截面积逐渐增大时，结构应力也逐渐提高，直至斜杆发生屈服。
2.2 多孔金属材料动力学性能
在实际应用中，多孔金属可承受动态荷载而产生大范围变形，本文通过选择基体材料、孔隙结构来控制动态变形特征，可使多孔金属成为理想的吸能材料。多孔金属在高变形下的动态性能和破坏机理研究对于其的广泛应用具有重要意义。此外，载荷作用下力学行为的研究也是结构材料的重要前提之一，尤其对抗冲击材料在军事和防恐领域中的应用具有重要意义。
多孔材料在冲击下的变形模型一般采用动量守恒和能量守恒得出动态激励下的变形。多孔金属材料的吸能机理研究已成为当前多孔材料研究的热门方向。金属多孔材料抗冲击分析是建立在静态模型基础上的，未考虑应变效应的影响，很难准确得出整个材料的动态性能。如何进行冲击荷载下的强度和破坏研究，建立相关的本构关系及破坏判据，需要进一步深入研究。
2.3 多孔金属材料热力学性能
孔隙传热是多孔金属多功能特性中最受广泛关注的领域。材料的高热传导系数和对流换热使得多孔金属具有优良的换热性能。
传热性能研究一般集中于常温导热和单相对流传热。根据多孔金属结构的流体动力特性，确定了不同雷诺数作用下的动量方程，得出了惯性力表达式；根据空气冷却对流换热特性，测定了对流传热随微结构参数的变化规律，建立单相对流传热模型；测定真空状态下导热系数随温度的变化规律，进而确定了高温下的热传递规律。随着相对密度的提高，多孔结构的导热系数会随之增大，且导热系数与相对密度基本成线性关系。
3.多目标结构优化设计
传统材料的设计通过调整单一材料设计参数使之能够满足工程实际需求。在大多数情况下，材料的设计无法达到最优化。由于上述局限，力学工作者虽然以材料为研究对象，但只发挥其辅助作用。随着以多孔材料和复合材料的发展，材料的可设计性已有了较大提高，可根据工程需求利用优化技术设计出最优越的材料。
多目标优化问题的主要思路是目标加权求解。对多个目标中，评价各目标权重系数 ，将多目标归一化。从而将多目标优化问题转化为单目标优化问题。
在航空航天领域，许多结构件需要同时满足强度、隔热和轻质的要求。从第3节力学性能研究中我们知道，随着密度的增大，材料屈服强度提高，多孔金属板的隔热性能降低，且孔径比越大，多金属板的隔热性能越好。针对单一目标优化进行的参数选取与其他目标优化的参数选取是相互矛盾的，需要进行多目标优化设计，以选取同时满足强度、隔热和轻质要求的材料参数。
金属板构件参数多目标优化设计中，首先采用最小二乘法对屈服应力和隔热参数进行多项式拟合， 以此表达式作为构件的目标函数，通过建立包含强度、隔热和轻质多目标函数的优化设计模型，采用权重法将多目标优化问题转化为单目标优化问题进行求解。
4.结论与展望
通过建立了多目标优化设计数学模型，求解目标最优的金属孔径比、相对密度。结果表明多孔金属板的综合性能显著优于传统金属板。
多孔金属材料应用前景十分广阔，但目前很多研究还只限于对宏观性能参数的研究，对细观结构研究还较少。
【参考文献】
[1]寇东鹏.细观结构对多孔金属材料力学性能的影响及多目标优化设计[D].中国科学技术大学，2008：55-58.
多孔材料声学模型及其应用 篇3
多孔材料是一类包含大量孔隙的材料,主要由连续固相骨架和填充孔隙的 流体相组 成。多孔材料 具有轻质、高强韧、耐撞击、高比强、比刚等特点,在结构、缓冲吸能、热减振、 隔/消音等方面发挥着重要作用,如汽车缓冲挡板、建筑用隔音材料、宇航结构层压面板、瓦斯防爆、装甲防护等[1,2,3,4,5]。近年来,多孔材料以其独特的综合性能和广阔的应用前景,受到国内外研究机构和学者的高度关注。其声学模型得到很大发展,从圆管理论到广泛应用的JCA模型,为多孔材料的设计和应用奠定了理论基础。
1多孔材料吸声机制
声波在空气中的传播满足惠更斯原理,即声源的振动引起波动,波动的传播是由于介质中质点间的相互作用。在连续介质中,任何一点的振动,都将直接引起邻近质点的振动。 多孔材料具有吸声作用主要是由于其内部具有大量彼此连通的微孔或间隙,且通过表面与外界相通。多孔材料的吸声是一种物理过程的能量转换,其吸声机制主要包括[6]:材料本身的阻尼衰减、渗流在孔隙间的热弹性压缩膨胀、与孔壁摩擦的黏滞耗散以及流过边角所产生的涡等。常温常压下空气在建筑用多孔材料中的声传播一般是线性的,不用考虑涡的影响。但当多孔材料应用于喷气发动机或宇宙飞船这样的环境时,高声强成为不可避免的问题,从而需要对声传播和吸收进行非线性考虑[7,8,9]。
声波进入多孔材料后引起空气振动,由于振动受到曲折孔隙壁的阻挡,空气与孔隙壁发生摩擦和黏滞使相当一部分声能转化为热能耗散;孔中的空气和孔壁之间的热交换引起的热损失,也使声能衰减,造成能量损失。不同孔隙尺寸、孔隙度的多孔材料对声波传播的影响及吸声特性有很大差别。 孔隙较大时,声波进入后不容易发生二次或多次反复碰撞, 因而能量损失较少。但当孔隙细小时,声波发生多次碰撞的可能性增加,每次反射、折射都要消耗一定能量。因此孔径小的多孔材料比孔径大的吸收的能量多。但孔径尺寸也不能过小,因为大部分声波有可能在未进入材料前即已反射。 因此要合理选择孔径尺寸以达到吸声效果[10]。
当多孔材料薄时,吸声特性主要由黏滞损失和其表面密度决定。但如厚度接近或超过波长,声波在其中传播的距离较长,就要考虑空气黏滞性和热传导作用。研究声波在多孔介质中的传播特性,主要考虑两个方面:(1)孔隙中填充介质里波的传播,(2)多孔介质骨架内弹性波的传播,同时考虑两者的传播问题一般采用Biot发展的理论[11]。由于空气的声阻抗率很小,多孔材料的固相骨架不随之振动,可将其考虑为刚性体,只讨论其中空气的运动。目前声传播模型的建立主要基于流体惯性和黏滞耗散理论,且同时考 虑热传导 效应。
2声学模型的发展
2.1 起
19世纪末Lord Rayleigh建立多孔材料微孔黏滞吸声理论[12],经过半个多世纪的发展,该理论依然不能真实反映多孔材料吸声性能的实际情况。20世纪50年代,Zwikker & Kosten以细管吸声理论为基础描述多孔材料内的声传播,相对于自由空气传播,他们理解的孔隙介质内的流速因空气体积减少而发生改变,之后在孔隙内流动 时因孔隙 的无规则 性,流速也会改变。Zwikker和Kosten建立了材料的有效密度和有效压缩模量理论,该理论可以通过声阻抗率的变化规律定性确定吸声系数的变化规律,但其计算公式相当复杂。 圆管内声传播应服从一般声波满足的流体方程———即欧拉运动方程和连续性方程。根据Kirchhoff的研究结果,运动方程只受黏滞系数的影响,而连续性方程则只受热传导系数的影响,两种效应的分离大大简化了推导工作。等效理论模型的进一步物理解释[10]为,等效动态密度包含了多孔材料中每单位体积空气的惯性力和黏性拖曳力的影响,而等效体积模量则给出了空气分子平均位移与平均压力变化的关系。
2.2 转
1956年M.A.Biot[11]提出考虑固液两相间弹性、惯性和黏性耦合作用的流体饱和多孔弹性材料传声模型,并研究多孔弹性材料的低频和高频特性。研究表明,高频时孔中的流体偏离Poiseuille流,并介绍了与孔几何形状相关的曲折因子和结构因子。Biot模型可以应用在高频和低频状态,该模型本应更值得关注,但是直到20世纪70年代,Biot理论仍未被充分认识。目前,科学界已认识到Biot理论在地球物理、石油勘探、汽车和医学等众多领域的潜在价值。以Biot理论为基础,Johnson-Champoux-Allard(JCA)等模型都得到了很大的发展。
2.3 承
多年来,以Biot理论为基础提出一些简单的经验模型。 如1970年,Delany和Bazley[13]提出一个描述纤维材料传声特性的经验模型。该模型在工程声学领域颇受欢迎。后来, Miki[14]在文献[13]的基础上,提出特定材料和频率范围的波数及阻抗特性的经验表达式。同时,其他模型也得到很大改善,如基于弛豫过程的Wilson模型[15]利用波传播中起控制作用的模态,引进了两个特征时间:一个与热传导有关,另一个与黏滞性有关。在此基础上加上与静流阻相关的特征量, 该模型的优点是在物理上更明确,且在低频和高频端的结果更为合理。Attenborough[16]指出高频时曲折度和孔隙几何形状参数的重要性,该模型引入一个动态孔隙形状系数。
2.4 合
Johnson等[17]研究在多孔介质中孔隙压力梯度下牛顿流体的高频渐近特性,引入动态曲折 度和动态 渗透率的 概念,并研究这些函数的低频和高频特性,指出两者之间存在一定的联系;且定义一个宏观物理参数,黏性特征长度Λ,该参数和孔的 微观几何 形状有关。 之后,Champoux和Allard[18]研究空气饱和材料在孔壁附近的边界层上不同流体层间的热交换,引入热特征长度 Λ′。1992年Allard等[19]针对高孔隙率多孔材料建立了一个新的模型,在静流阻之外又引入2个新参数:一个与孔隙的几何结构相关,另一个则与由热和黏性分别决定的特征长度的比值相关。上述结果集合即所谓考虑黏性和热特征长度的JCA模型,目前在声学领域广泛应用,该模型涉 及5个物理参 数。Lafarge等[20]在JCA模型基础上引入热渗透率k0′,从而建立低频下固体和流体间的热交换模型,该模型包含6个参数。Pride等[21]研究等效流体的低频惯性特性,并对Johnson模型中动态曲折度低频限进行修正。最近,卢天健等对平行直纤维绕流的声传播问题进行了建模和理论分析[22],模型中的直纤维规则排列,空气流与纤维成一定角度绕过纤维阵列。该工作的意义在于为今后正确解决纤维类多孔材料中的声传播问题提供了完整的理论基础。
3圆管理论及JCA模型
3.1黏性效应
多孔材料对声音黏滞力具有双重功效,一方面它降低了声音的传播速度,另一方面这种结构可以把声波能量通过阻尼转化为热能。描述不可压缩流体在一个圆柱孔内受恒定压力梯度时运动的线性Navier-Stokes方程[23]:
式中:x1、x2和x3为空间坐标,p为声压,η和ρ0为空气黏滞系数和空气密度,如图1所示。
考虑有一个无方向性波速为v3的平面波通过圆柱孔时,应用无滑移边界条件于孔隙壁上,即ν3 r=a=0,此处a为微孔半径,求其平均速度的过程中得出等效流体密度的表达式:
该等效流体密度考虑了孔隙存在时的黏性耗散效应。
3.2热效应
随声传播而发生在骨架上的热交换保持绝热,改变了空气在孔隙中的体积模量。线性化的熵方程描述了在空气中的热传导:
式中:θ和ρ是声传播温度和密度,ρ0、θ0和P0分别是空气密度、平均温度和平均压力,κ、cv和cp分别是热导率、定容比热容和定压比热容。
体积模量定义为:
利用式(1)-式(4)可得单孔内空气体积模量的表达式:
该体积模量考虑了刚性骨架与空气间的热交换而造成的耗散效应。
3.3多孔材料内的声传播
多孔性吸声材料内具有大量细管、窄缝及空穴等,如果细管或窄缝整齐排列,如图2(c)所示,材料的声密度和声阻抗即为单管或缝的值除以孔隙率 Φ。但实际材料中细管或窄缝无规则分布,如图2(b)所示,甚至于还有死管空穴等。 但如果只有空穴,如图2(a)所示,就不构成吸声材料。多孔性吸声材料虽然是细管的无规则组合,其特性仍在单管或窄缝基本特性的框架内。
在实际的多孔吸声材料中,空气的有效密度为[12]:
式中:χ表示两种材料的结构常数,当材料内微孔无规则分布时,其值为3;Φ 为孔隙率;ω=2πf表示角频率;σ表示材料流阻常数,其表达式为:
材料中的声速c为:
声阻抗率为:
式中:K=KT/Φ,KT为管中的体积模量,其式为:
式中:γ为空气的定压比热与定容比热之比;P0为15 ℃时空气中压力;为穿孔板常数;J(x)为第一类贝赛尔函数,即:
声波在多孔材料内的传播较为复杂,JCA模型是基于Biot理论考虑多孔介质黏性惯性效应[17]和热耗散效应[18]建立的一个广义声学模型,该模型能较精确刻画较宽频率范围内刚性骨架材料的声吸收特性,在声学领域得到广泛应用。 该模型把孔隙形状认为是圆柱状,把刚性骨架的空气饱和多孔材料看作具有同样动态密度和动态体积模量的等效流体。 动态密度和动态体积模量的表达式[19]为:
式中:ρ0为空气密度,a∞为曲折因子,σ为静态流阻率,Λ 为黏性特征长度,γ为绝热常数,P0为空气压力,Npr为普朗特数。
对任意孔形状的多孔材料则须用热特征长度Λ′代替Λ。
黏性特征长度Λ 指两孔间连接部位的径向尺寸,用来描述声波在中高频范围内的黏性影响。该参数可以通过驻波管法或超声波技术获得。其表达式[19]:
式中:s为截面形状因子。
4声学模型的应用
近年来多孔材料中的声传播及其声学性能和结构优化研究主要集中在空气中的多孔金属材料,因此刚性骨架的圆管理论模型及基于圆管理论的JCA模型得到众多学者的青睐。
4.1多孔材料声学性能研究
刘鹏辉[24]采用多孔吸声材料的圆管理论模型,结合工程实际,分析了多孔材料孔隙率、孔径、厚度及结构因子对材料吸声性能的影响。刘新金[25]以圆管理论模型为基础,运用声波在分层介质中的传播方程,给出不同吸声材料复合而成的多层结构吸声系数的递推计算公式;分析了双层复合吸声结构内外层材料的孔隙率、微孔半径和厚度变化对吸声系数的影响。结果表明,由多孔材料复合而成的分层吸声结构具有良好的吸声效果,为多层吸声材料复合结构的设计和应用提供了研究 基础。 陈文炯[26]以Zwikker & Kosten模型和Stinson模型为基础,采用表面阻抗法和传递矩阵法研究周期性吸声多孔金属材料与结构的声传播特性,建立声能吸收率与孔的尺寸和孔隙率之间的解析关系。蔡坤鹏[27]首先肯定圆管模型推出公式的理论合理性,但认为公式中声阻、声抗均为导出量,工程中很难计算。为此他们从工程研究角度给出影响材料吸声性能的阻抗准数,并应用该准数对材料吸声性能进行解释和预测。结果表明,该工程方法研究材料吸声性能与圆管理论具有一致性,且使问题得到简化,因此为多孔吸声材料吸声性能测定和工程选择提供了新的参考方向。曹曙明[28]以Rayleigh-Kirchhoff圆管模型为基础,考虑黏滞损耗和热传导,建立一个适用于多孔泡沫铝吸声性能的简化理论模型;分析刚性背衬和空腔背衬条件下多孔泡沫铝静态流阻对材料吸声性能的影响。结果表明,通过控制流阻大小,可使材料获得最佳的吸声性能,空腔可使吸声系数峰值频率向中低频移动,且使泡沫铝的整 体吸声性 能得到改 善。
张波[29,30]以Biot-Allard刚性骨架多孔材料吸声模型为基础,借鉴导管对流换热思想,推导出一种新的、形式较简单的有效体积模量表达式,从而得到一种适合计算金属骨架多孔材料吸声性能的扩展的吸声模型。他们利用该扩展吸声模型对单层、双层及三层梯度组合金属纤维板的吸声特性进行理论计算。结果表明,金属骨架对材料低频段的声吸收有一定强化作用,烧结作用使得纤维小幅振动对材料声吸收的贡献减小,与Biot-Allard模型相比,采用扩展模型计算精度较高,尤其是对高频段表面声阻抗率的计算;为梯度组合型烧结金属的吸声性能及优化设计提供了理论基础。之后他们以JCA模型为理论计算模型[31],根据物理系统反求理论, 采用模拟退火罚函数混合遗传算法及序列二次规划方法对烧结型金属纤维材料的声学参数进行全局优化反求。研究表明,在多孔金属材料应用研究中,采用声学参数优化反求不失为一种简单有效的方法;在反求计算中,采用HGA方法能够获得鲁棒性较高的全局最优解,得到较高精度的反求结果;如若合理设计优化变量,采用SQP方法也能获得高精度的全局优化结果。卢天健[10]采用JCA模型研究填充吸声材料夹层板结构的声振耦合特性,以便进一步优化设计结构使其满足实际的工程声学要求。Jian Zhu[32]基于JCA模型来确定多孔材料声学参数,运用分析法和外推法通过多孔材料等效流体动态密度获得曲折因子和黏性特征长度等参数,并验证和讨论了两种方法的有效性。
段翠云[33]用Johnson-Allard模型计算泡沫金属铝的吸声系数,与实验对比显示:在峰值频率(3500 Hz)以下时,模型计算结果与实验符合良好,超过峰值频率时与实验结果偏差较大。他们通过引入一个指数因子e对模型进行了改进, 得到与实验曲线符合良好的改进模型。Duan Cuiyun[34]分别用Delany-Bazley模型和Johnson-Allard模型对高温烧结多孔陶瓷的声吸收特性进行研究。结果表明,后者与实验结果更接近,另外增加材料厚度可以提高低频声吸收特性,提高孔隙率可以增加吸声系数,具有3~5mm微粒的材料共振频率更明显,与玻璃棉和多孔沸石相比,多孔陶瓷具有更高的吸声能力。Yonghua Wang[35]考虑到精度和简单采用Delany-Bazley-Miki模型研究新的多层仿生吸声体的声吸收,用阻抗转移法和有限元模拟法计算声学性能,分析每层参数对模型吸收系数的影响,通过数值模拟来验证模型的有效性。 W.Maysenhlder[36]用简化的Wilson弛豫模型研究雪的微观结构和声学特性之间的关系,与孔隙率为60%~90%的雪样测得的结果对比得到令人满意的结果。
4.2多孔材料结构优化
多孔材料吸声性能与孔隙率及材料微观几何结构密切相关。刘新金[25]分析了分层吸声结构的参数优化设计,结果表明,合理配置各层材料结构参数,可以达到较为满意的吸声效果,为多层吸声结构参数优化设计提供了参考依据。陈文炯[26]以Zwikker & Kosten模型和Stinson模型为基础,以圆柱形孔的尺寸沿材料厚度方向的变化规律为设计参数,建立以特定频率下层状多孔结构声能吸收率为目标的优化问题求解方法,得到一种具有较高声能 吸收率的 梯度多孔 结构。之后他们又以 刚性骨架 多孔材料 等效流体 理论模型 (JCA模型)为理论背景[37],采用混合模型有限元法研究材料宏观声学性能与微观结构之间的关系,分析材料孔隙率、孔隙尺寸及微孔形状对吸声性能的影响,建立特定频率下具有高吸声性能的微观几何构型的设计理论和方法,最终获得高吸声性能的微观几何构型。Shutian Liu[38]针对设定频带下多孔纤维材料提出一种优化设计方法,分析模型源于JCA模型。他们以纤维半径和间隙为优化设计参数,运用构造的优化模型分别得到低频(20~500Hz)、中频(500~2000Hz)和高频(2000~15000Hz)下的最优微观结构参数;并给定了纤维材料厚度,在规定频带下构建了纤维半径和最佳孔隙率间的关系。
传统的圆管理论模型被众多学者认同,根据该理论可对多孔吸声材料进行定性分析,研究多孔材料的声学性能并进行结构优化。圆管模型推出的公式有其理论合理性,但圆管模型忽略了多孔吸声材料中管路间的相互连通,认为多孔材料是多条等径平行圆管的均匀组合(实际上多孔材料中孔径是大小不一,而又互相连通,构成网状结构),因此在公式计算上存在一定的局限性,不可能与实际情况完全相符。
5结语
具有多孔结构的液体材料问世 篇4
以英国贝尔法斯特女王大学和利物浦大学为首的这个国际联合研究小组, 合成出一种新的液体, 并发现这些液体能通过将气体吸收进孔洞中的方式溶解大量气体。这个为期3年的研究项目为众多更为环保和高效的化学反应过程铺平了道路, 其中就包括碳捕获技术, 即一种将发电厂、钢铁厂、化工厂排放出的二氧化碳收集、储存起来, 避免其进入大气的技术。
贝尔法斯特女王大学化学与化工学院教授斯图尔特·詹姆斯表示, 在材料中人工形成永久性的多孔结构是人类科学上的一大进步。该技术能用来制造从塑料瓶到汽油等一系列产品。但此前, 几乎所有的多孔材料都是固体的。新设计的一种“自下而上”的特殊液体结构, 弥补了液体在分子形状上的不足, 最终让液体无法填满所有的空间, 出现大量的孔洞结构。正是这些孔洞赋予了它们极强的气体吸纳能力。
多孔材料模型分析 篇5
Hwang和Chao[1]实验研究了空气流经由青铜颗粒烧结成的多孔槽道时的换热, 给出了局部努谢尔特数和充分发展的努谢尔特数的一般关联式。Polyaev[2]依据测得的多孔介质表面和流体的温度, 结合理论分析, 给出了不均匀多孔介质内部对流换热系数的计算关联式。Kuwahara等[3]推导得出一个对流换热系数的理论解析式, 公式没有任何经验常数, 适合于多孔介质层流流动。Saito等[4]针对单元网格热平衡得到了湍流下的对流换热系数, 不过必须根据较复杂的数值求解得到。Pallare等[5]通过研究发现, 将Kuwahara公式乘以2以后, 能更好的与实验吻合, 继而得到了另一对流换热系数关联式。胥蕊娜和姜培学[6]根据实验结果拟合出了微细多孔介质内对流换热系数的两个经验关联式, 并给出了考虑速度滑移和温度跳跃影响的修正。
可见, 对流换热关联式主要通过实验和数值模拟方法得到, 不同情形关联式形式不一, 系数有别, 选用时需要特别注意。理论解析解只在层流时被研究, 湍流理论关联式很难得到, 这仍是该领域研究的难点, 可能需要借助新的工具和研究方法。另外可以看出, 小于20μm的颗粒填充床需要考虑尺度效应, 即考虑速度滑移和温度跳跃。分形理论在推导多孔介质对流换热系数方面的研究还少, 而通过近年来的研究发现, 分形理论在研究多孔介质方面体现了巨大的优越性。陈永平和施明恒等[7,8]推导得到了土壤等效热导率的分形模型式, 郁伯铭[9]基于分形理论, 推导得出一个适用范围较广的多孔介质渗流关系式。郑坤灿[10]基于分形理论、多孔介质渗流理论和对流换热理论, 理论推导了层流和湍流分形对流换热系数准则方程, 其结果指出, 无论是层流还是湍流, 采用充分发展管流模型得到的分形对流换热系数准则方程的结果和传统准则方程相比均偏小, 且偏差较大, 而考虑未充分发展的入口效应修正后则更加与传统准则方程吻合, 而修正方程的形式更接近流体外掠平板和外掠球体的努谢尔准数形式。因此, 本文基于孔喉模型, 通过分形理论, 来推导多孔介质对流换热系数关联式。
1 多孔介质的分形理论基础
郁伯铭[11]运用分形理论用于描述多孔介质的孔隙数量和孔隙直径的关系, 建立了多孔介质分形渗流理论。该理论认为多孔介质孔隙分布与孔隙大小服从分形理论, 即
式 (1) 中, λ为孔隙直径 (m) ;λmax为孔隙最大直径 (m) ;N为直径大于λ孔隙的数量;Df为分形维数。
由式 (1) 可以得到孔隙总数为
式 (2) 中, λmin为孔隙最小直径 (m) ;Nt为直径大于λmin孔隙的数量, 即孔隙总数。
而式 (1) 对λ微分可以得到λ和λ+dλ间的孔隙数目, 即
式 (3) 除以式 (2) 得
式 (4) 中, f (λ) 为孔隙分布的概率密度函数, 它应满足归一化的条件
通常的随机多孔介质均近似满足这一条件, 因为其最大与最小孔隙直径比值一般在2~3个数量级, Df分形维数在2~3。
另外, 由多孔介质分形理论[12]可以得到多孔介质结构参数的计算方法。
1.1 孔隙和管束分布分形维数Df的计算
式 (6) 中, ε为孔隙率;D为拓扑维数, 三维时等于3, 二维时等于2。
1.2 平均孔隙 (或毛细管) 直径λav
1.3 平均迂曲度τav
1.4 迂曲度分形维数DT计算
式 (9) 中, , 其中R为颗粒平均半径, ΔL为相邻颗粒间缝隙的最短距离。
1.5 最大孔隙或者毛细管半径rmax
1.6 最小孔隙或者毛细管半径rmin
式 (11) 中, d+为平均粒子簇的直径与最小粒径之比, 一般取24或18。
1.7 迂曲长度Lt
2 多孔介质对流换热系数分形准则方程的推导
2.1 多孔介质结构模型建立
多年来人们研究了很多多孔介质孔隙的模型, 最为经典的主要有毛细管模型、确定性模型和平均水力半径模型。孔喉模型可以说是毛细管模型中最简单的一种, 很多科研工作者都尝试过用孔喉模型来解释多孔介质内部流动机理。在考虑孔喉模型时, 将孔隙的形状看成是圆形的, 往往忽略了孔隙的形状是不规则的。所以采取孔喉模型时, 还考虑到孔喉的形状, 也就是在孔喉模型中采用平均水力半径的方法, 把孔喉模型和平均水力半径模型结合起来, 可以得到和厄根方程类似的结果, 但不含任何经验常数, 从而建立最简单的多孔介质的流动阻力模型[11]。在多孔介质实际流动过程中, 以孔隙来看, 可视为管内流动, 而以固体颗粒来看, 则可视为外掠球体的绕流, 从郑坤灿[10]的研究结果看出, 绕流可能更好描述多孔介质内部流态, 也是为了对此进行验证, 故本文在推导分形关联式时采用管流与绕流相结合的孔喉模型, 即分别根据绕流计算换热并根据管流确定流量。
2.2 选取REV特征单元
假设多孔介质孔隙或固体颗粒随机分布, 但各向同性且具有周期特征。如图1所示, 一个REV特征单元内部固体温度 (Ts) 物性均匀, 流体温度 (Tg) 和热物性均匀, 固体温度和流体温度不相等, 其内部传热以对流换热为主, 导热和辐射先予以忽略, 最后给予修正。根据前面建立的结构模型, 其REV特征单元分别由不同当量直径的孔和喉构成。
2.3 分形准则方程的理论推导
2.3.1 计算单管换热量
流体外掠圆球的平均表面传热系数可以用以下关联式来确定
式 (13) 中, Nu为努赛尔数;Re为雷诺数;Pr为普朗特数;h为表面换热系数;λ为颗粒的直径;k为颗粒导热系数;γ为黏滞力;u为流速。
故单管换热量qh
2.3.2 REV内总换热量
式 (15) 中, -d N (λ) 为直径在λ~λ+dλ间的管数或球数, 由式 (3) 得到;Lt为迂曲度长度, 由式 (12) 计算。
2.3.3 确定流速
假设局部能量损失是由孔喉引起的, 流体通过单位体积的多孔介质的总流量为Q, 并且将流体在多孔介质中的流动看作是在弯弯曲曲的毛细管孔道中的流动, 毛细管孔道的大小分布满足分形分布, 则理想的孔喉模型如图2所示。
图2中, Dp=λ为理想球的直径, LBF为喉的直径, Dp+LBF为孔的直径, 则如图2所示孔喉的面积为
则REV总面积为
可以得到孔和喉的直径分别为
则孔的面积为
喉的面积为
则流体流过模型的平均面积为
郁伯铭[10]的阻力公式为
则通过单管流量为
REV内总流量为
于是多孔介质表观速度珔u为Qv/Ap, 即
将式 (24) 与式 (27) 相除可得
代入式 (15) 得
2.3.4 表面对流换热系数hs
特征单元总表面积下的换热量为
由式 (29) 和式 (30) 二式相等可以得到表面对流换热系数hs
转化成Nu形式为
式 (32) 中, c1、c2、c3为分形参数相关的系数, 有
式 (35) 中, 由式 (7) 确定。
2.4 对流换热系数分形解的验证和修正
式 (32) 就是多孔介质对流换热系数分形关联式的理论解, 从该式可以看出, 对流换热关联式与雷诺数和普朗特数有关, 将此式与非分形多孔介质对流换热系数关联式传统解及郑坤灿[10]所得基于管流模型下的对流换热系数分形解进行比较如图3所示。
traditional solution of convection heat transfer coefficient
从图3中看出, 分形解明显低于传统解, 且随着雷诺数的增加, 二者偏差越来越大, 相对误差近似为0.36, 说明未充分发展假设要优于充分发展。因此下面以未充分发展管流与绕流相结合假设为前提, 进行入口段的修正, 将解析式乘以系数1.5可以得到式 (36) 。
则图4结果看出修正后的结果与传统非分形的经验公式吻合较好, 其相对误差近似为0.012。
2.5 修正分形解的适用范围研究
表1是通过数值计算考察孔隙率对修正解的影响。从表中可以看出孔隙率在0.25~0.5其误差较小, 且吻合较好。
3 结论
(1) 基于多孔介质渗流分形理论和对流换热理论, 在孔喉模型基础上理论推导了多孔介质内部分形对流换热系数准则方程, 经过分析修正后得到了与传统对流换热准则方程较为一致的计算结果:Nu=1.5[2c1+ (0.4c2Re1/2+0.06c3Re2/3) Pr0.4]。
(2) 推导的准则方程在考虑了入口效应修正后, 得到了与传统准则方程较为一致的结果。从方程形式可以推测, 多孔介质内部流态应更接近于外掠物体 (如平板、球体或柱体) 绕流, 所以外部流动比内部管流更接近于多孔介质渗流的本质, 这可以指导对多孔介质渗流和对流换热更深入的研究。
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多孔材料检测系统的设计与实现 篇6
近年来多孔材料的开发和应用日益受人们的关注[1]。金属多孔材料一类具有功能和结构双重属性的特殊的工程材料[2],孔径及孔径分布是多孔材料的重要性质之一[3] ,多孔材料性能检测是衡量多孔材料质量的重要手段,多孔材料性能对产品加工工艺的调整与控制、多孔材料设计和使用部门的参照与选择有着十分重要的作用。多孔材料性能检测系统是西北有色金属研究院与西安工程大学合作开发的科研项目,根据西北有色金属研究院实际生产情况,以气泡法作为检测方法,这套系统设计完成后主要测试材料有:金属丝网、复合金属烧结丝网,具有棉网性质的三维网状多孔结构性质的金属纤维烧结毯、微孔陶瓷膜等等。主要技术指标要求如下:孔径测试范围:(0.005—200)μm孔径测试精度:(0.005—0.05)μm,结果参数误差:±0.5%曲线偏离误差:±0.3%,传感器精度:2.5级。
1气路控制的设计
多孔材料性能检测系统经装置外气泵送入加压常态气体,压力逐渐连续加大,最大压力<6 MPa。此气体经电磁阀进入储气罐,后经调节阀进入样品测试缸。气体流量计由高(1 m3/h—10 m3/h)、中(0.2 m3/h—2 m3/h)、低(0.025 m3/h—0.25 m3/h)三个不同量程的流量计串接而成,其中低、中量程的流量计各并接电磁阀,当量程达70%—80%时关闭并道通并接旁路,从而保证测试气体的连续性和准确性。两个压力计(1 kPa—10 kPa、1 kPa—200 kPa)分别连接样品测试缸的下部位置。流量计、压力计均选择数显方式,精度均为2.5级。流量计采用孔板式,LED表头显示。整个气路回路设计如图1所示。
2各流量计工作回路的设计
当小量程流量计工作的时候,阀1、阀4打开。阀2、阀3关闭,压力则根据当前压力的实际值。当大于小量程压力计满量程的80%时,阀5关闭,以保护小量程压力计。此后,仪器发送的压力数据为大量程压力计的采集数据;在此之前,仪器则发送的小量程压力计的采集数据到上位计算机。回路中溢流阀的作用是保护仪器,当回路压力大于溢流阀所设定的最大压力时,整个气路断路。
当中量程流量计工作时,阀2、阀3打开。阀1、阀4关闭,压力则根据当前压力的实际值。当大于小量程压力计满量程的80%时,阀5关闭,以保护小量程压力计。此后,仪器发送的压力数据为大量程压力计的采集数据;在此之前,仪器则发送小量程压力计的采集数据到上位计算机。回路中溢流阀的作用是保护仪器,当回路压力大于溢流阀所设定的最大压力时,整个气路断路。
当大量程流量计工作时,阀1、阀3打开。阀2、阀4关闭,压力则根据当前压力的实际值,当大于小量程压力计满量程的80%时,阀5关闭,以保护小量程压力计。此后,仪器发送的压力数据为大量程压力计的采集数据;在此之前,仪器则发送小量程压力计的采集数据到上位计算机。回路中溢流阀的作用是保护仪器,当回路压力大于溢流阀所设定的最大压力时,整个气路断路。
3电气控制设计
所选用的是美国德州仪器公司(TI)推出的16 位MSP430 系列单片机,它具有功耗低、处理能力强、运行速度快、资源丰富、开发方便等优点,在许多行业都得到了广泛的应用[4]。MSP430 系列单片机大部分都内嵌有模数转换器模块,转换精度有10 位、12 位及14 位,对于一些没有硬件模数转换器模块的型号可以利用其内嵌的模拟比较器使用软件的办法实现模数转换,因而,应用MSP430 系列单片机来实现数据采集非常方便,不需在片外扩展模数转换芯片,从而简化了硬件电路。它非常适用于工业控制检测,仪器、仪表以及通信等领域[5] 。
多孔材料性能检测系统的电气控制设计主要是通过面板的设定和当前的压力、流量值对阀门的开启和闭合实行控制,以形成不同的测量回路,实现同一精度等级小宽量程范围的测量,使该多孔材料性能检测系统能对多种试件进行检测。图2为多孔材料性能检测系统的控制回路:初次上电时,让大流量计打开检测,如果检测到当前的流量很小或者没有流量;这时,通过大流量计闭合的继电器给控制回路供电,控制系统才能在自动方式或者手动方式下工作,一旦系统开始工作,要将通过大流量计供电的回路自锁。
控制系统提供了有效的保护功能,即使在误操作的情况下也不会损坏仪器。如果初始操作时气流量太大,即使按下小流量测量按钮,小流量测量传感器也不会接入气路,避免了其它仪器在初始气流过大时损坏流量传感器的情况,小压力计和小流量计、中流量计都设定有一定的阈值,超过该值时,无论在自动方式还是手动方式下,仪器会自动切换到更高一级的测量回路,以保护敏感的传感器。
测量部分的弱电和控制部分的强电通过有效的隔离措施,以保证系统可靠有效的工作。
4软件界面设计
按照使用需求和软件体系结构设计要求,使用Delphi编写应用程序,关系数据库使用DB2,主要完成数据的采集、存储和显示,二者在这些方面都是非常优秀的,完全满足设计要求。实现软件界面如图3。
参数输入界面负责金属多孔材料各属性参数的输入,试样编号、试样名称、试样外径、形状、厚度、高度等物理属性。同时还有介质的参数,如空气的温度、密度,液体温度、密度、高度及张力系数等参数,这些都是材料指标计算所必须的。从界面右边可以看到部分指标,最大孔径、中流量孔径、透气度、黏性渗透系数、惯性渗透系数,这些指标的计算是系统自动完成的,用户是不能修改的。界面的下半部分是以表格的形式呈现测试过的每一件试样的数据记录,方面用户直接查找以测试样。
数据采集是系统一个很重要的功能模块,其界面设计如图4。该模块通过串口将数据从智能仪表里采集进来,并显示在界面上,点击开始,便开始工作,左边是以表格的方式显示干式数据和湿式数据,以及所工作的压力计和流量计,在该界面还可以对数据做初步的处理,既可以人工删除不合理的,异常的数据,也可以点击确认数据有效按钮,让软件自动完成数据的有效性检验,如果觉得数据不满意,还可以清空所有数据,重新开始采集,这是一个很重要的预处理工作。
将西北有色金属研究院提供的多孔材料样品编号007的多孔材料镍虑片的各项参数输入式样参数界面,通过数据采集界面控制整个系统运行,测得镍滤片的“最大孔径”、“中流量孔径”、“透气度”、“ 透气性系数”及“孔径分布曲线”等多项用于衡量多孔过滤介质性能及质量等级的重要参数指标;测试最终出示的结果有:数据列表、直方图、台梯图、点线连接图、百分数曲线、累积分布图、对数正规分布图和累加几率曲线以及样品各重要指标的测量结果等。图5为检测结果报告。
最后,所有处理结果都以西北有色金属研究院规定的格式打印,所有指标最大孔径、透气度、黏性渗透系统、惯性渗透系数、中流量孔径等在报表中都有反映,而且孔径的分布区间和每个区间的百分比也显示出来,还有孔径分布的各种图形均可打印输出。
5结束语
该系统采用单片机控制,具有编程方便、清晰易懂、使用调度灵活、性能可靠等优点。它可以使系统的可靠性和灵活性大为提高,很好的实现了设计要求。最重要的是,它能够较准确的表征多孔材料孔径分布的特性,它不仅对研究新品种有着重要的指导意义,而且在多孔材料发展应用技术中,对于多孔材料品种的迅速、正确的选用有着极大的帮助。
摘要：该系统的技术目标是建立一套完整、准确、科学的测试模型。在此模型基础之上,对该测试系统进行整体设计。由数字气体压力传感器采集被测多孔材料的精确流量和压力值,通过单片机采控系统及RS232接口实时、动态地将该数值传输给计算机(上位机),对数据进行处理并准确求得测试结果。
关键词：多孔材料,孔径分布,孔径检测
参考文献
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有机多孔泡沫材料应用的研究进展 篇7
自第二次世界大战英国首次在飞机上应用夹层结构以来的几十年中,夹层结构因比刚度大的突出优点被越来越多地应用于航空航天、船舶制造、车体结构设计等领域,在工程中也愈来愈受重视。
夹层结构一般由上面板、上面板与芯材的粘结层、芯材、下面板与芯材的粘结层以及下面板构成。夹层结构传递荷载的方式类似于工字梁,上、下面板主要承受面内拉压应力,芯材主要承受剪切力[1]。泡沫夹芯材料将具有密度小、比强度高、吸能缓冲能力强、吸声性能好等优点的泡沫芯材与强度较高的蒙皮复合,获得性能优于传统材料的新型材料。选用的泡沫芯材也在逐渐发展,从聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、聚烯烃类泡沫到聚甲基丙烯酰亚胺泡沫,虽然泡沫材料已用于工业生产中,但由于其自身力学性能与耐热性不足,限制了其在耐高温、高强材料中的应用。聚甲基丙烯酰亚胺泡沫具有优异的力学性能与耐热性能,但由于制备成本过高,限制了其推广使用。本文重点介绍了一种综合性能优异、制备成本低廉的新型多孔材料——芳香族热固性共聚酯多孔材料,并将其耐高温性能、力学性能和制备成本等与传统的有机泡沫多孔材料进行了对比,结果表明,芳香族热固性共聚酯多孔材料具有明显的优势。
1 芳香族共聚酯多孔材料及其性能
20世纪60年代,全芳香族共聚多酯的首次出现就以其优异的化学性能、力学性能和高耐热性而著称。然而,这些材料的应用却受到了成本昂贵、加工温度高(300~400℃)和聚合物链的棒状结构所引起的层间剪切性能不良等的限制。到20世纪90年代,James Economy等开始研制一种全新的热固性树脂,该树脂以低价芳香酯为结构单元,可由熔融低聚物轻易加工而成,是一种高性能树脂,其主要特点为:(1)聚合过程是一种熔融缩聚反应,固化时由于副产物乙酸的逸出产生多孔结构,无需添加任何发泡剂;(2)树脂固化后高度交联,耐高温性能十分优异;(3)具有很高的刚性和强度;(4)具有良好的耐溶剂性;(5)吸水率低;(6)通过链间的酯交换反应(ITR)可在两个已固化的涂层间形成良好的粘着键,实现固态下的二次加工;(7)与乙酸反应时,可破坏其交联结构从而转化为低聚物,所生成的低聚物又可重新聚合为高聚物,此后亦可反复解聚、聚合;(8)与金属的粘合性能优异。
由于具有如此优异的性能,芳香族共聚酯多孔材料引起了各国材料界的高度重视,成为下一代耐高温复合材料的待选树脂泡沫之一。航空航天领域是其主攻方向,多孔的特性决定其质轻,结合优异的耐高温性能与低吸水率(0.3%)使其成为泡沫夹层的理想材料。当将碳纳米管均匀分散于该泡沫材料中时,其力学性能与耐热性都会明显提高,并可作为航天器的吸波材料,达到隐身的效果。多孔结构决定其具有吸声减震的特性,使其在交通工具的车身材料方面有很广阔的应用前景。
1.1 热力学性能
由于全芳香族热固性共聚酯(Aromatic thermosetting polyester,ATSP)是由全芳香族的链节构成且是高度交联的,刚性的结构决定了其具有优异的耐热性。Frich等[2]研究了ATSP在氮气与空气中的热稳定性,结果表明,在损失率为5%时ATSP在氮气中的热稳定性可达450℃,高于450℃时会出现明显的降解,但残炭率仍为40%(质量分数);空气中开始分解的温度为440℃,这与传统的热固性树脂如环氧树脂、双马来酰亚胺相比耐热性具有明显的提高。图1为ATSP在氮气与空气中的TGA曲线。
此外,由于全芳香族刚性结构使ATSP具有很高的玻璃化转变温度和剪切储存模量。Economy等[3]采用DMA测定了ATSP的玻璃化转变温度和剪切储存模量(见图2)。从图2中可以看出,玻璃化转变温度为224℃,剪切储存模量为1.2GPa。液晶相的ATSP具有相近的剪切储存模量,但玻璃化转变温度为210℃。
ATSP还具有较低的热膨胀系数,Shi等[4]研究了芳香族共聚酯的热膨胀系数,结果表明,随着内平面线膨胀系数的增加,外平面热膨胀系数减小,线膨胀系数与分子结构、固化条件有很大的差别,但体膨胀系数基本保持不变。Farheen等[5]通过研究高性能碳纤维基体材料发现,由于芳香族共聚酯中存在液晶相,可以使芳香族共聚酯与碳纤维之间的热膨胀系数更加匹配,从而避免了由于热膨胀系数不同引起的应力集中所导致的高温固化过程中出现微裂纹的现象。
1.2 粘合性能
ATSP在固化过程中可以发生链间的酯交换反应,使得半固化的树脂间可以产生交联从而达到很好的粘合效果。Huang等[6]研究了ATSP作为粘合剂与不同类型铜箔(锌涂层的铜箔、纯铜箔和镍涂层的铜箔)之间的粘结力,结果发现,ATSP与锌涂层的铜箔之间的粘合力为1050N/m,是纯铜箔的3倍,是镍涂层铜箔的5倍。由于ATSP在固化过程中与锌涂层的铜箔表面发生化学反应,而且锌涂层的铜箔表面很粗糙而产生了很强的机械互锁,所以导致ATSP与锌涂层的铜箔之间有高的粘合力。Selby等[7]在研究中指出,ATSP是一种具有良好抗湿性、化学惰性、高热稳定性的强力粘合剂。它通过内部链能够进行转酯化反应,从而促进亚微米粘合剂与聚酰亚胺的粘合,最终形成自粘粘合剂。直径为4~8mm的聚酰亚胺的薄膜膜片通过粘接粘合和超滤膜装配,通过砂眼测试分析,测得其具有19MPa的残余应力和3GPa的模量。ATSP/氧化硅界面的脱胶能达15~23J/m2。Frich等[8]制备了以芳香族共聚多酯为基质的具有很高热稳定性的液晶热固性材料。在制备过程中,液晶相自始而终都存在。这种液晶热固性物质已经被用作金属材料粘接的粘结剂。这种粘接剂用于高分子-金属材料的粘接效果非常好,牢固的界面粘接归功于材料的低固化收缩率。
1.3 摩擦性能
ATSP除了具有上述性能外还可以改善某些聚合物的耐磨性能。Zhang等[9]研究了ATSP与PTFE复合材料的耐磨性能,结果表明,将ATSP与PTFE混合制备的复合材料与纯PTFE相比具有较小的摩擦系数和较低的磨损量,且随着ATSP含量的增加,复合材料的耐磨性逐渐增强。后来的研究表明,将ATSP薄膜涂在铝基体上作为耐磨涂料,并加入荧光添加剂,可以提高耐磨性能。与商品级的PTFE基涂料相比,ATSP/荧光添加剂薄膜的摩擦系数与之相当,但磨损量却大幅度降低[10]。Nicholaos等[11]研究了在空气调节压缩机中ATSP/PTFE复合材料的耐摩擦性能,发现ATSP/PTFE复合材料具有极好的耐摩擦性能,并且低摩擦与低磨损有关联。加入ATSP使得PTFE的耐磨损性能有了很大改进,ATSP的加入量越大,其磨损量越小。ATSP改善聚合物的耐磨性不仅局限于PTFE一种聚合物中,Huang等[12]成功制备了ATSP/UHMWPE复合材料,并且在未润滑的条件下测试了其耐磨损性能。研究表明,当用PEA(Ethylene-co-acrylicacid)作为相容剂时,PEA加入量为5%~20%时,能够改进ATSP/UHMWPE复合材料中ATSP与UHMWPE之间的作用。加入适量PEA的ATSP/UHMWPE复合材料比纯的UHMWPE具有更低的磨损量。
2 有机多孔材料的应用
有机多孔泡沫材料与强度较高的蒙皮复合组成泡沫夹层结构材料,该材料具有质轻、减震吸能、绝热等特性,因此在航空航天、汽车制造、吸声降噪等方面具有广阔的应用前景。本文综述了有机泡沫多孔材料在航天航天夹层结构、车体结构设计、吸波等方面的应用。
2.1 在飞机夹层结构中的应用
复合材料及其结构是飞行器的一大关键用材和承重结构件,为了提高复合材料的力学性能,充分利用材料的强度以减轻结构质量,飞行器的结构件采用了大量的泡沫夹层结构复合材料。在夹层结构设计中使用泡沫芯夹芯不仅可以降低制造成本,还可以降低飞机全寿命维修成本[13]和燃料的消耗。目前研究较多的是聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫。马立等[14]对PMI泡沫材料在航天器结构中的应用进行了可行性研究,结果表明,PMI泡沫作为夹层结构芯材,因其具有优异的力学性能、良好的耐压缩蠕变性、低放气性能等,可以作为航天器的次承力结构。孙宏杰等[15]研究了碳/环氧-PMI泡沫夹层结构与铝蒙皮泡沫夹层结构的力学性能,通过对比相同蒙皮下PMI泡沫夹芯和铝蜂窝夹芯的力学性能,得出泡沫夹层结构比传统的铝蜂窝夹层结构具有更高的弯曲性能和侧压性能。贾欲明等[1]以PMI泡沫作为夹层结构芯材与传统NOMEX蜂窝材料进行对比,发现两者强度相差不多,但PMI泡沫具有突出的制作工艺性、耐吸湿性等优点,已经用于生产Delta Ⅱ运载火箭的头部整流罩。国内研究较多的是将泡沫夹层结构应用在民用客机中,国产ARJ21飞机的机翼和翼片就采用了进口的PMI泡沫作为芯材的夹层结构复合材料[16]。胡培等[17]将PMI泡沫夹芯结构用在A380后压力框上,并采用A型加强筋条来提高稳定性,其面板是碳纤维/环氧树脂,采用热压罐固化,固化温度为175℃,压力为0.35MPa,时间为2h。泡沫夹层结构避免了蜂窝结构表面易损伤、易吸水导致材料腐烂或结冰导致蜂窝与蒙皮之间的胶层涨裂的缺点,目前已广泛用于空客公司的A340-500/600的副翼结构中,在各种型号的民用客机上的雷达罩、舱门等结构中都得到了应用[18]。虽然PMI泡沫具有如此多的优点,且在飞机夹层方面的应用也很有发展前景,但PMI泡沫吸水率大且制备成本高,制备PMI泡沫的两主要单体是甲基丙烯腈和甲基丙烯酸,国内甲基丙烯腈只能在实验室内小批量生产,成本很高,因此目前离大规模地运用PMI泡沫还有一定距离。与之相比,芳香族共聚酯多孔材料的原料价格低廉,具有更高的耐热性及较低的吸水率,表1为PMI泡沫与芳香族共聚酯多孔材料的性能对比,由表1可知,芳香族共聚酯多孔材料在飞机夹层的应用中具有更大的优势,是一种很有发展前景的材料。
2.2 车体结构中的应用
能源消耗限制交通工具的发展已有30多年,随着石油价格上涨、全球变暖以及环境问题的日益突出,欲在全球运输市场中占有一席之地,发展先进技术来改善运输效率的作用越来越明显,而提高运输效率的关键就是减轻运输工具的质量[19]。复合材料泡沫结构由于质轻,且具有优于传统材料的力学性能,因此在结构设计中得到了广泛的应用。Ning等[20]采用热塑性夹层结构复合材料设计并制备了公共汽车的车身,该设计是采用E玻璃纤维增强的聚丙烯作蒙皮、聚丙烯蜂窝作芯材的泡沫夹层结构。采用这种结构的车身与传统的铝作表皮、钢筋作承载结构的车身相比,质量减轻了55%以上。因此,泡沫夹层结构是一种具有良好发展前景的车用结构材料。泡沫夹芯夹层结构不仅应用于大型的公交车上,在小型的汽车中也有应用。我国生产的BS-111型小汽车就采用了聚苯乙烯泡沫为芯材、玻璃纤维增强塑料为面板的夹层结构,此设计还充分利用了玻璃纤维增强塑料的固化特性,使结构产生预应力,从而达到结构刚度与强度的最佳组合[21]。
随着技术的不断发展,人们对高速列车的关注越来越多。Harte等[22]以玻璃纤维增强环氧树脂作蒙皮、聚氨酯泡沫作芯材制备了火车车身,并通过调整车身板的厚度与几何形状优化了车身结构。Belingardi等[23]将以玻璃纤维增强的环氧树脂作蒙皮、PMI泡沫作芯材组成的泡沫夹层结构应用到高速列车的车头结构中。在泡沫芯材中加入垂直于蒙皮方向的树脂网络可以提高夹层结构的耐冲击强度,从而实现在不降低耐冲击强度的前提下减轻车头的质量。磁悬浮列车的出现引起了人们的广泛关注,对其车体材料的研究也引起很多人的兴趣。俞程亮[24]对泡沫夹层材料用于磁悬浮列车的车体承载结构进行了研究,利用有限元商业软件MSC.NASTRAN分析了高速磁悬浮车体承载结构,结果表明,泡沫夹层结构的设计符合车体承载结构最轻量化优化设计的要求。 随着交通工具不断地更新换代,新型材料的发展已迫在眉睫,传统的聚烯烃类泡沫、聚氨酯泡沫的性能不能满足新型交通工具对材料的需求,表2是芳香族共聚酯多孔材料与其它聚烯烃类泡沫、聚氨酯类泡沫的性能对比,可以得出高强度、高耐冲击性、高耐压缩性且轻质的芳香族共聚酯多孔材料具有更为优异的性能,是新一代泡沫夹层结构芯材的首选材料之一。
2.3 吸波方面的应用
吸波材料在隐身技术、保温节能以及人体防护方面有着广泛应用,尤其在军事隐身技术领域更是发挥着无法取代的作用。隐身材料作为隐身技术的核心已成为各国研究的重中之重,备受世界军事大国的高度重视。积极探索多功能高效吸波材料,对尖端武器装备进行隐身以反摧毁,已经成为当前国际上迫切需要解决的问题[25]。泡沫夹层结构可以将透波的蒙皮与吸波的芯材复合在一起,从而实现最大程度地吸波。因此,越来越多的学者研究泡沫夹层结构的吸波性质。
聚氨酯泡沫是应用最广、研究最多的一种泡沫,将电磁波吸收剂分散在聚氨酯泡沫中研究其吸波性能的也最多。李娟等[26]根据电磁波阻抗匹配原理制备了聚氨酯泡沫夹层结构复合吸波材料,研究了不同结构组成对材料吸波性能的影响。结果表明,当匹配层中加入质量分数为15%的二氧化锰,聚氨酯泡沫夹芯层中加入质量分数为5%的二氧化锰和10%的石墨以及在反射层中加入质量分数为35%的石墨,测试频段为8~18GHz时,聚氨酯泡沫夹层结构复合材料的最大吸收峰为12.9GHz(R=-35.7dB),R<-10dB的频宽为1.5GHz。张义桃等[27]以微米级钡铁氧体和炭黑或其混合物作为吸波剂分散于聚氨酯泡沫中形成夹芯材料,并测定了其在4~8GHz时的微波吸收性能,结果发现,在聚氨酯软质泡沫中添加质量分数为15%的碳粉和质量分数为5%的钡铁氧体可以得到吸波性能较好的泡沫芯材,其反射系数可达-7dB。黄小忠等[28]通过在碳纤维表面进行磁性涂层制备出具有吸波效果的磁性涂层碳纤维,在聚氨酯中仅掺杂质量分数小于5%的该纤维发泡得到了吸波聚氨酯泡沫,经与玻璃纤维透波层和碳纤维反射层复合得到了宽频且轻质的夹层结构吸波材料。Park等[29]设计并制备了在X带(8.2~12.4GHz)具有雷达波吸收作用的泡沫夹层结构。该结构以含有炭黑的玻璃纤维/环氧树脂复合材料和碳纤维/环氧树脂复合材料作蒙皮材料,以含有多壁碳纳米管的聚氨酯泡沫作芯材。通过多层介质传播与反射理论计算了多层泡沫夹层结构的吸波性能,结果表明,在-10dB的吸收带宽时,实验结果与理论计算有良好的一致性,说明夹层结构具有优异的吸波性能。具有吸波功能的泡沫夹层结构的芯材不仅局限于聚氨酯泡沫,聚氯乙烯泡沫的研究也在迅猛发展。Kim等[30]设计了一种以PVC泡沫为芯材的泡沫夹层结构雷达波吸收系统,该材料是由纳米复合材料、碳纤维/环氧树脂复合材料以及PVC泡沫组成。其中纳米复合材料是由E玻璃纤维、环氧树脂和碳纳米管组成的电磁波吸收层。当纳米复合材料的厚度和碳纳米管的含量分别为2.52mm 和3%时,在-10dB的吸收带宽为3.3GHz (8.2~11.5GHz),最大与最小吸收率分别为97% 和 84%,这种结构显示了其优异的吸波特性,是一种高效的雷达波吸收装置。虽然聚氨酯泡沫已广泛应用于吸波材料中,但聚氨酯泡沫材料的力学性能与耐热性仍不能达到耐高温材料的标准。表3是芳香族共聚酯多孔材料与硬质聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫的性能对比。由表3可知,芳香族共聚酯多孔材料具有更高的耐热性和更优异的力学性能,是一种可以大力开发的材料。
3 结语
随着工程应用中对轻质高强材料不断发展的需求,泡沫夹层结构材料将成为未来复合材料的首选之一。理想的泡沫夹层结构应具有优异的力学性能、化学稳定性、低吸湿性、易于加工成型、成本低等特点,目前世界主要复合材料制造厂家都致力于开发高性能、低成本的泡沫夹层复合材料,尤其对高性能泡沫芯材的研发一直没有间断。通过将芳香族共聚酯多孔材料与传统的有机多孔材料对比,可以看出芳香族共聚酯多孔材料具有更优异的耐高温性能和力学性能,而且制备成本低廉,原料丰富,能够实现大规模的生产与应用。芳香族共聚酯具有较低的吸湿率,不会发生一般泡沫材料因为吸水而腐烂的情况,延长了材料的使用寿命,降低了材料的成本,为其在军事、民用生产中的广泛应用奠定了坚实的基础,如在航天器夹层结构、车体结构材料和吸波方面有着巨大的发展潜力。今后需重点解决的问题是进一步降低生产成本和提高材料的应用性能,开发低成本单体的合成途径,并需加强聚合机理和其他性能的研究。
摘要：综述了芳香族热固性共聚酯多孔材料的特点与性能,并针对其在航空航天材料、车体结构材料、吸波材料等领域的应用与有机泡沫多孔材料进行了相似的分析与比较。通过对比得出芳香族热固性树脂多孔泡沫是一类高性能树脂泡沫材料,具有优异的耐热性,很高的刚性与强度,且制备成本低廉,因此具有更广阔的应用前景。
