泡沫夾芯結(jié)構(gòu)芯材的導熱及面板的熱沖擊斷裂行為研究.pdf

1、熱防護系統(tǒng)是高超聲速飛行器必不可少的結(jié)構(gòu)材料系統(tǒng)，用以防止飛行器內(nèi)部器件在氣動熱環(huán)境下不致燒毀破壞。為了減輕系統(tǒng)的重量，目前的熱防護系統(tǒng)多采用夾芯結(jié)構(gòu)，主要由中間夾芯層與內(nèi)外兩層面板組成。輕質(zhì)與隔熱性能使陶瓷泡沫材料成為中間夾芯層的最佳材料。另一方面，高超聲速飛行器服役環(huán)境惡劣，飛行過程中空間粒子的撞擊和劇烈的氣動作用經(jīng)常會導致外層面板的損壞，進而危及整個系統(tǒng)的安全。因此，了解中間夾芯層材料的導熱性能和外層面板材料的斷裂性能對提高泡沫夾

2、芯結(jié)構(gòu)的防熱性能是至關(guān)重要的?；诖?，本文對泡沫材料在高溫條件下的導熱系數(shù)和固體面板材料在熱沖擊下的斷裂行為進行系統(tǒng)地研究，主要內(nèi)容如下：
　　利用體心立方單胞模型代表泡沫材料的幾何結(jié)構(gòu)，求解高溫條件下泡沫材料的等效導熱系數(shù)。首先通過幾何光學定律和衍射理論對泡沫材料的高溫輻射性質(zhì)參數(shù)進行預測。然后通過 Rosseland近似法獲得泡沫材料的輻射導熱系數(shù)。最后運用疊加原理給出泡沫材料等效導熱系數(shù)的表達式。通過分析結(jié)構(gòu)參數(shù)和基體的光學

3、參數(shù)對泡沫材料的輻射導熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)大的孔徑和孔隙率有益于泡沫材料內(nèi)輻射的傳播，而反射比對輻射導熱系數(shù)的影響取決于反射的方式：如果反射是鏡面反射，那么反射比對輻射導熱系數(shù)不起影響作用。如果反射是漫反射，那么輻射導熱系數(shù)隨反射比呈遞減趨勢。相比于漫反射，鏡面反射更有利于熱輻射的傳播。為了對理論模型進行驗證，采用熱線法實驗測量了氧化鋁陶瓷泡沫材料在不同溫度下的導熱系數(shù)，并將實驗結(jié)果和理論結(jié)果進行對比，結(jié)果顯示兩者吻合良好。
　　基

4、于非傅里葉導熱定律對固體材料的斷裂行為進行研究。考慮內(nèi)部裂紋為導熱裂紋和熱絕緣裂紋兩種情況。當內(nèi)部裂紋為導熱裂紋時，它可作為加熱（或冷卻）的熱源。此時，裂紋尖端處會形成 I型的熱應(yīng)力強度因子。當內(nèi)部裂紋為熱絕緣裂紋時，它不允許任何的熱流通過裂紋。此時，裂紋尖端處會形成 II型的熱應(yīng)力強度因子。利用拉普拉斯變換和雙重積分法對問題進行求解，并且討論熱弛豫時間、裂紋長度和材料厚度對熱應(yīng)力強度因子的影響。通過對非傅里葉導熱模型和傅里葉導熱模型下

5、的熱應(yīng)力強度因子進行比較，發(fā)現(xiàn)基于非傅里葉導熱定律的熱應(yīng)力強度因子要大于基于傅里葉導熱定律的熱應(yīng)力強度因子，并且材料厚度越小，差距越明顯。
　　以非傅里葉導熱理論為基礎(chǔ)研究固體材料在遭受急劇溫度載荷作用下的熱沖擊阻力。考慮中心裂紋和邊緣裂紋兩種不同裂紋位置的情況。首先，給出不含裂紋時的溫度場和相應(yīng)的熱應(yīng)力場。然后通過權(quán)函數(shù)法獲得瞬態(tài)熱應(yīng)力強度因子。最后，基于最大應(yīng)力準則和斷裂韌性準則對熱沖擊阻力進行預測。通過比較非傅里葉導熱模型與

6、傅里葉導熱模型的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)傅里葉導熱模型會過高地估計材料的熱沖擊阻力。這說明在預測介質(zhì)的熱沖擊阻力時，引入非傅里葉導熱模型是必要的。
　　飛行器在高速飛行時，劇烈的氣動加熱使得泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的溫度梯度很高，從而導致應(yīng)力、應(yīng)變梯度也很大。為此，本文第四部分以應(yīng)力梯度非局部彈性
　　理論為基礎(chǔ)，對材料在熱沖擊作用下的斷裂行為進行研究。首先，通過分離變量法求解不含裂紋時的溫度場和應(yīng)力場。然后，通過權(quán)函數(shù)法分別獲得中心裂紋和邊緣裂紋兩