课题基金基金详情
聚合物基防热复合材料的热变形及高温刚度和强度性能衰减分析
结题报告
批准号:
11402202
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
26.0 万元
负责人:
时圣波
依托单位:
学科分类:
A0814.极端条件下材料与结构力学
结题年份:
2017
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
谷良贤、龚春林、陈兵、王一凡、胥磊、戴存喜
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中文摘要
飞行器超音速飞行时产生的气动加热会使飞行器材料及其结构产生热变形,且飞行器材料的强度和承载能力也会有明显的衰减,这些都将影响热防护结构的完整性和可靠性,从而影响飞行器的气动外形和安全飞行。本项目针对飞行器大面积防热用聚合物基复合材料的热变形及高温力学性能衰减规律开展研究。首先通过组分材料高温响应机理研究,阐述基体材料的热分解特性、热软化过程和纤维材料的高温相变特性。然后考虑温度/扩散/变形之间的耦合作用,建立高温变形的多场耦合模型,并利用非接触式高温变形测量实验验证模型的正确性。最后根据等效夹杂理论和多孔介质弹性力学,提出考虑孔隙压力影响的高温弹性模量预报方法,基于不同温度和加热时间下材料响应机理和破坏机理,建立高温强度模型。课题最终建立一套高温环境下聚合物基防热复合材料热/力学行为的表征方法,为该类型热防护材料及其结构的安全设计和可靠性评价奠定基础。
英文摘要
Aerodynamic heating can cause thermal deformation of the thermal protective materials and its structures, as well as the strength and loading capacity of the vehicle material significantly degrade when the spacecraft is flying at supersonic. This adversely affects the integrity and reliability of thermal protection structures, and thus influences the aerodynamic shape and flight safety of spacecraft. The thermal deformation and degradation in high-temperature mechanical properties of the polymer composites which widely applied in the large-area thermal protection structures of spacecraft were studied in this project. The response mechanisms of component materials under high-temperatures were investigated, firstly. The thermal decomposition behavior, thermal softening effect of matrix materials and phase transition process of fiber materials were determined. And then a multi-physics field coupling analysis model was proposed to predict the high deformation of polymer composites under high temperatures. The coupling actions of temperature, diffusion and deformation were taken into account in the model. The accuracy of the model was evaluated using the non-contact high temperature deformation experiment. Moreover, according to equivalent inclusion theory and elastic mechanics of porous materials, the prediction method of the high-temperature stiffness property which considering the effect of pore pressure on volume modulus was developed. Based on the response and failure mechanisms of materials under different temperatures and heating times, the high-temperature strength model was proposed. The evaluation methods of the thermo-mechanical behavior of polymer composites under high temperatures were established, finally. And this is significant for the structure design, evaluation of integrity and reliability of the thermal protection structures for this kind of composite.
飞行器超音速飞行时产生的气动加热会使飞行器材料及其结构产生热变形,且飞行器材料的强度和承载能力也会有明显的衰减,这些都将影响热防护结构的完整性和可靠性,从而影响飞行器的气动外形和安全飞行。本项目针对飞行器大面积防热用聚合物基复合材料的热变形及高温力学性能衰减规律开展研究。揭示了酚醛树脂和高硅氧纤维等组分材料的高温响应机理研究,酚醛树脂的热分解反应呈现出三个典型的分解阶段。考虑温度/扩散/变形之间的耦合作用,建立了高温变形的多场耦合模型,设计了非接触式高温变形测量实验验证模型的正确性。防热材料的热应变沿加热方向呈现出明显的梯度变化,距离试样加热表面越近的位置,热应变越大,热防护设计过程中应充分考虑热变形的影响。热应力曲线中有峰值出现,最大热应力出现的位置并不是靠近加热面的位置,即最大热应力不是在烧蚀最严重的区域,这是由于酚醛树脂热解过程中固体结构材料的热弹性增长能够导致较大的热应力。基于不同温度和加热时间下材料响应机理和破坏机理,建立了高温弹性模量预报方法和高温强度模型。在基体材料热软化效应与纤维材料烧蚀-相变过程发生温度区间,防热复合材料的力学性能会呈现大幅度衰减。本项目建立的高温环境下聚合物基防热复合材料热/力学行为的表征方法以及相关结论,可为该类型热防护材料及其结构在高超声速飞行器上的安全设计和可靠性评价提供理论依据。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1016/j.compstruct.2016.09.047
发表时间:2017
期刊:Composite Structures
影响因子:6.3
作者:Liangxian Gu;Yifan Wang;S. Shi;Dai Cunxi
通讯作者:Liangxian Gu;Yifan Wang;S. Shi;Dai Cunxi
DOI:10.1016/j.matdes.2016.03.098
发表时间:2016-06
期刊:Materials & Design
影响因子:8.4
作者:Shengbo Shi;Linjie Li;Guodong Fang;Jun Liang
通讯作者:Jun Liang
DOI:10.1016/j.compstruct.2017.10.078
发表时间:2018-02
期刊:Composite Structures
影响因子:6.3
作者:Chunlin Gong;Yifan Wang;Liangxian Gu;Shengbo Shi
通讯作者:Shengbo Shi
DOI:10.1177/0731684415624769
发表时间:2016-01
期刊:Journal of Reinforced Plastics and Composites
影响因子:3.1
作者:S. Shi;Jun Liang;Liangxian Gu;Chun-lin Gong;L. Wen;Yifan Wang
通讯作者:S. Shi;Jun Liang;Liangxian Gu;Chun-lin Gong;L. Wen;Yifan Wang
A solar radiant heating apparatus for measuring the thermal behavior of silica fiber phenolic composite for thermal protection applications
一种用于测量热防护应用中硅纤维酚醛复合材料热行为的太阳辐射加热装置
DOI:10.1016/j.applthermaleng.2016.06.007
发表时间:2016-08
期刊:APPLIED THERMAL ENGINEERING
影响因子:6.4
作者:Shi Shengbo;Yi Fajun;Tang Shuo;Gong Chunlin;Wang Yifan
通讯作者:Wang Yifan
仿叶脉相变发汗柔性热防护结构热质输运机理及高温变形规律研究
  • 批准号:
    92271118
  • 项目类别:
    重大研究计划
  • 资助金额:
    80.00万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    时圣波
  • 依托单位:
防热复合材料烧蚀表面熔融液态层的高温演变机理与粘附强度研究
  • 批准号:
    12172296
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    时圣波
  • 依托单位:
国内基金
海外基金