论文部分内容阅读
复合化是高性能隔热材料设计的重要途径,而数值方法成为目前预测材料性能最为有效的手段。本文以南水北调工程大型混凝土结构表面保温为应用背景,以空心玻璃微球(HGM)/环氧复合隔热材料为研究对象,开展了HGM/环氧复合材料隔热性能数值计算方法、性能预测及组分比设计研究。由于空心玻璃微球本身为两相材料(玻璃、空气),而且尺寸很小,给数值模型的建立带来了极大困难,因此如何对HGM作均匀化处理,是高填充HGM/环氧复合材料隔热性能数值模拟的关键。本文首先建立了低填充下的三相(树脂、玻璃和空气)模型和两相(树脂和均匀化空心玻璃微球)模型,通过两者等效得到HGM有效导热系数;然后基于两相模型,对高填充下的复合材料隔热性能进行模拟预测与实验研究,并分析了多种因素对复合材料导热系数的影响规律;最后对不同组分比下复合材料的粘度、热膨胀系数、粘接强度、抗拉强度等性能进行了实验测试及分析,为复合隔热材料的设计与制备提供依据。本文的主要研究成果如下:(1)研究了HGM均匀化处理方法,得到了HGM有效导热系数。针对低填充复合材料中HGM分散较为均匀、无相互作用的特征,采用随机序列吸附算法建立填料体积分数为5%的复合材料三相和两相细观模型,通过对两种模型隔热性能模拟结果的对比分析,确定了HGM有效导热系数;研究了模型尺寸、壳壁导热系数、空心球形材料粒径及孔隙率等因素对其有效导热系数的影响。(2)基于均匀化HGM/环氧复合材料两相有限元模型,开展了复合材料隔热性能数值模拟分析与实验研究。根据不同填充量下复合材料中HGM颗粒的分布特征,分别构建不同填充量的复合材料细观模型,对复合材料导热系数进行预测,通过与实测的复合材料导热系数对比,验证了模拟结果的可靠性,并得到复合材料导热系数随填料体积分数增加呈线性减小趋势;研究了模型尺寸及有效导热系数对复合材料导热系数的影响规律。(3)开展了HGM/环氧复合隔热材料的粘度、热膨胀系数、粘接强度及抗拉强度等物理力学性能试验研究,分析了组分比对复合材料性能的影响,综合考虑复合材料的隔热性能、力学性能及工艺性,给出了HGM/环氧复合材料的较佳组分比。