碳纖維梯度分布水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電發(fā)熱性能的研究.pdf

1、導(dǎo)電發(fā)熱混凝土是近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快的一種新型功能混凝土，但由于導(dǎo)電層的反復(fù)通電發(fā)熱產(chǎn)生熱應(yīng)力，不可避免的使得混凝土過(guò)早破壞以致失效。為了緩和導(dǎo)電混凝土與普通混凝土層之間由于溫差引起的層間熱應(yīng)力問(wèn)題，本文將梯度的概念引入碳纖維導(dǎo)電發(fā)熱水泥基復(fù)合材料中，使纖維按對(duì)發(fā)熱功能的要求呈階梯梯度變化。首先試驗(yàn)研究了碳纖維含量按一定比例變化的梯度分布對(duì)水泥基材料力學(xué)、電熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)梯度分布對(duì)材料有利。然后以熱應(yīng)力最低為判據(jù)，運(yùn)用

2、有限元對(duì)纖維含量的梯度分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)得出降低層間熱應(yīng)力相對(duì)較佳的一組纖維梯度分布含量，對(duì)該優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)研究，并與有限元模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。最后對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的梯度試件與碳纖維含量相同的層狀試件進(jìn)行力學(xué)性能和電熱性能對(duì)比研究。為了為有限元熱應(yīng)力分析提供參數(shù)依據(jù)以及與梯度試件各項(xiàng)性能對(duì)比，還進(jìn)行了不同的碳纖維含量對(duì)水泥基復(fù)合材料密度、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)電率、發(fā)熱溫升、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和壓折比的試

3、驗(yàn)研究，得出了以下結(jié)論：(一)纖維含量對(duì)碳纖維水泥基材料性能有顯著的影響：隨著碳纖維含量的增加，水泥基復(fù)合材料的密度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)降低，泊松比升高、導(dǎo)電率增大、發(fā)熱溫升升高，抗折強(qiáng)度隨著纖維含量的增加而增加，但存在一最佳含量，抗壓強(qiáng)度、壓折比隨纖維含量的增加降低。(二)碳纖維梯度分布可提高水泥基復(fù)合材料的性能：(1)碳纖維含量按一定比例變化的梯度分布顯著地提高了水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電發(fā)熱性能：相

4、對(duì)于相同纖維含量的均勻試件，梯度試件抗折強(qiáng)度提高了16.1％～40.3％，相對(duì)于相同纖維含量的層狀試件，抗折強(qiáng)度提高了2.7％～6.2％。碳纖維梯度分布對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較小，但仍有所提高，并有效地降低了壓折比；梯度試件的導(dǎo)電率是均勻試件的3～29倍，層狀試件的1.4～2倍，發(fā)熱溫升是均勻試件的2～35倍，層狀試件的1倍多，且通電發(fā)熱過(guò)程中梯度試件的各層間溫差明顯小于層狀試件層間溫差。(2)碳纖維含量按優(yōu)化設(shè)計(jì)的梯度分布顯著地

5、提高了水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電發(fā)熱性能：與相同纖維含量的均勻試件和層狀試件相比，梯度試件的抗折強(qiáng)度分別提高了38.6％和11.7％，抗壓強(qiáng)度也有所提高，壓折比明顯降低，導(dǎo)電率比均勻試件增加了300多倍，比層狀試件提高了25.7％，發(fā)熱溫升大于均勻試件和層狀試件。研究表明，梯度試件發(fā)熱溫升與纖維含量為其兩倍的均勻試件的發(fā)熱溫升接近，纖維按對(duì)發(fā)熱功能要求呈梯度分布，不僅能夠提高纖維的有效使用率，還能降低其用量。(三)通過(guò)

6、試驗(yàn)研究表明，用有限元對(duì)纖維含量梯度分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的：分別經(jīng)過(guò)初步設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個(gè)步驟設(shè)計(jì)了31次試驗(yàn)方案，用有限元軟件對(duì)各試驗(yàn)方案進(jìn)行了熱應(yīng)力仿真分析，以熱應(yīng)力最低為判據(jù)，得出了相對(duì)較佳的碳纖維梯度分布含量為：0、0.1wt％、0.2wt％、0.5wt％、0.7wt％。通過(guò)對(duì)該梯度分布含量進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其溫度分布與有限元計(jì)算結(jié)果有很好的一致性。(四)按優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，進(jìn)行了梯度試件與層狀試件的溫度場(chǎng)、位移變

7、形、層間熱應(yīng)力的對(duì)比研究：(1)通過(guò)有限元對(duì)梯度試件和層狀試件的溫度場(chǎng)分析表明：沿試件厚度方向梯度試件溫度呈連續(xù)均勻變化，層狀試件兩層中溫度下降幅度較大。層狀試件的供熱效率低于梯度試件；(2)通過(guò)有限元對(duì)梯度試件和層狀試件的位移分析表明：相對(duì)于層狀試件，除Y方向兩者的位移相差不大外，梯度試件在X、Z兩個(gè)方向的位移量分別降低了6.8％、8.7％。梯度試件的變形明顯小于層狀試件，其整體最大位移量降低了7.6％，有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定