激光加热纤维增强聚合物基复合材料热解过程数值仿真研究
毕业论文关键词：一文模型 聚合物 热响应 热化学膨胀 温度曲线
外文摘要
Title Numerical simulation of the thermal process of laser heating fiber reinforced polymer matrix composites
Abstract
A one-dimensional transient thermal model has been developed to predict the thermal response of a decomposing，expanding polymer composite exposed to high temperatures. Referencing to the results of previous experiments，the model measuresthe temperature profiles during decomposition for a glass-filled phenol-formaldehyde polymer composite.Both the decomposition and thermochemical expansion，as well as the storage of decomposition gases in the solid material were considered in the formulation of the model.Additionally, the specific heat and thermal conductivity of the virgin and char components, heat of decomposition, and the kinetic parameters were experimentally determined and used as input to the model.The accuracy of the model was evaluated by comparing predicted and experimental temperature profiles for a widely used glass-filled phenolic. The predicted temperature profiles are in good agreement with experimental temperatures obtained using a radiant heat flux apparatus.
Keywords One dimensional model Polymer Thermal response Thermal Expansion Temperature curve
目 次
1 引言 1
2 背景 2
3 数学模型 4
3.1 公式 4
3.2 模拟 9
3.2.1 建模软件COMSOL Multiphysics 9
3.2.2 过程 11
4 结果与讨论 16
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 引言
由于玻璃纤文增强聚合物复合材料的绝缘性和抗磨性，高分子复合材料在高温热防护方面应用范围很广，包括航天器热防护大气载入；火箭发动机喷管内壁；导弹爆炸装置等[1]。在上述应用中，材料接触的温度足以引起固体基质的多级分解反应和热化学膨胀。反过来，这极大地改变了热输运性质，并显著影响了材料的热性能。为了正确地为这些应用设计热保护系统，有必要评估热性能的变化并推理预测材料的热响应。这需要使用复杂的数学模型，包括发生在材料内的适当的物理和化学过程[2]。
本文的目的是开发一个数学模型，以预测同时进行分解和热化学膨胀的聚合物复合材料的热响应。为了利用新开发的热模型，有必要测量与温度相关的原材料和焦炭的导热系数、比热容、分解热、和与分解动力学有关系的材料[3]。将玻璃纤文增强酚醛暴露于已知的辐射热通量中，通过观察温度随时间、温度随深度、剩余质量分数随深度的变化曲线，对模型的准确性进行了评价[4]。此外，模型也用来评估材料热响应的某些过程的影响[5]。
2 背景
高分子聚合物指由键重复连接而成的高分子量（通常可达10～106）化合物。例如聚氯乙烯分子是由许多氯乙烯分子结构单元—CH2CHCl—重复连接而成，因此—CH2CHCl—又称为结构单元或链节。由能够形成结构单元的小分子所组成的化合物称为单体，是合成聚合物的原料。例如 (C6H12O6)n ，n代表重复单元数，又称聚合度，聚合度是衡量高分子聚合物的重要指标。聚合度很低的（1～100）的聚合物称为低聚物，只有当分子量高达10～106（如塑料、橡胶、纤文等）才称为高分子聚合物。由一种单体聚合而成的聚合物称为均聚物，如上述的聚氯乙烯、聚乙烯等。由两种以上单体共聚而成的聚合物则称为共聚物，如氯乙烯—醋酸乙烯共聚物等。本文研究的是酚醛树脂，酚醛树脂也叫电木，又称电木粉。原为无色或黄褐色透明物，市场销售往往加着色剂而呈红、黄、黑、绿、棕、蓝等颜色，有颗粒、粉末状。耐弱酸和弱碱，遇强酸发生分解，遇强碱发生腐蚀。不溶于水，溶于丙酮、酒精等有机溶剂中。苯酚醛或其衍生物缩聚而得。