熱沖擊下纖維增強(qiáng)復(fù)合材料熱力耦合問(wèn)題研究.pdf

1、極高溫度梯度和極大溫升率下的熱力耦合問(wèn)題是許多現(xiàn)代工程技術(shù)領(lǐng)域必須面對(duì)的關(guān)鍵性問(wèn)題。課題的應(yīng)用領(lǐng)域涉及航空航天的熱防護(hù)體系(如熱障涂層)，微電子領(lǐng)域的微納器械的熱力耦合問(wèn)題(MEMS器械的加工與制備)以及生物材料中的熱力學(xué)問(wèn)題(腫瘤急冷急熱處理)等。由于顯著細(xì)結(jié)構(gòu)或非均勻內(nèi)結(jié)構(gòu)的特性，使材料在極高溫升率與溫度梯度下的短時(shí)程傳熱中表現(xiàn)出顯著的非傅里葉效應(yīng)，其熱弛豫時(shí)間并不局限于分子或晶格水平，非均勻介質(zhì)具有不同水平的傳熱結(jié)構(gòu)單元，因而有較

2、大的熱弛豫時(shí)間值。另一方面，層合結(jié)構(gòu)包含針對(duì)剛度增強(qiáng)，重量控制，熱防護(hù)性能及電磁場(chǎng)屏蔽等多項(xiàng)要求設(shè)計(jì)的各子層，其中往往含多孔或纖維多層材料介質(zhì)在內(nèi)。在這種工作情況下考慮極高溫度梯度和高溫升率的熱力耦合問(wèn)題便具有了現(xiàn)實(shí)意義和研究?jī)r(jià)值。
　　 針對(duì)具有顯著細(xì)結(jié)構(gòu)的多層薄膜材料，極高溫度梯度和極大溫升率條件下熱力耦合傳播問(wèn)題涉及了以下三方面對(duì)傳統(tǒng)理論的挑戰(zhàn)：1)傳統(tǒng)的傅里葉定律受到挑戰(zhàn)，需要引入熱傳導(dǎo)的非傅里葉定律；2)忽略應(yīng)變和應(yīng)力

3、對(duì)溫度分布影響的熱力耦合問(wèn)題傳統(tǒng)的工程分析方法受到挑戰(zhàn)，需要在廣義熱彈性框架下將溫度的時(shí)空分布受變形和應(yīng)力時(shí)空分布的影響納入考慮；3)應(yīng)力、應(yīng)變和溫度增加量間的一次關(guān)系不足以分析小尺度及非均勻材料和多胞材料的這種熱力耦合效應(yīng)，需要在現(xiàn)代本構(gòu)理論框架下發(fā)展和完善本構(gòu)方程，特別要注意引入應(yīng)變梯度理論，并在高溫度梯度條件下完善應(yīng)變梯度理論。
　　 論文基于廣義熱彈性理論，針對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其多層結(jié)構(gòu)，給出在強(qiáng)熱沉積下的熱力耦合響應(yīng)

4、。第二章詳細(xì)介紹了經(jīng)典熱彈性理論和常見(jiàn)的幾種廣義熱彈性理論，并通過(guò)具體算例對(duì)它們之間的異同進(jìn)行了比較。結(jié)果表明在給定的條件下，經(jīng)典的非耦合熱彈性理論與經(jīng)典的耦合熱彈性理論得出的溫度以及應(yīng)力的分布基本一致，兩種廣義熱彈性理論得出的溫度分布基本一致，而G-L廣義熱彈性理論得到的應(yīng)力要大于L-S廣義熱彈性理論；以激光驅(qū)動(dòng)的光熱微膨脹臂的熱力耦合分析為例，給出了在廣義熱彈性理論下的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)，說(shuō)明了廣義熱彈性理論的適用性。
　　 第

5、三章建立纖維增強(qiáng)復(fù)合材料代表性單元，得到了其等效物理量，給出其邊界受熱沖擊作用時(shí)不同約束條件下的一維熱力耦合問(wèn)題中的溫度增加量和應(yīng)力的分布規(guī)律，并討論了它們之間的差異，結(jié)果表明對(duì)于給定的條件，應(yīng)力、應(yīng)變對(duì)溫度的影響很小。
　　 第四章研究了二維情況下纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在邊界受熱沉積作用下的熱力響應(yīng)，且研究了在材料表面金屬涂層時(shí)相同邊界條件下的溫度和應(yīng)力的分布規(guī)律，結(jié)果表明距離邊界越近的點(diǎn)的溫度越高且最大壓應(yīng)力越大，表面的金屬涂層可