摘要: 三维连通网络碳化硅(SiC)和碳(C)泡沫材料具有高孔隙率、高比表面积、高比强度、良好的吸波性能、传热性能、流体分配性能等，主要应用于过滤器、催化剂载体、热交换器、吸声、吸波材料等方面。本文使用计算机模拟技术研究了三维连通SiC和C泡沫材料在... 展开 三维连通网络碳化硅(SiC)和碳(C)泡沫材料具有高孔隙率、高比表面积、高比强度、良好的吸波性能、传热性能、流体分配性能等，主要应用于过滤器、催化剂载体、热交换器、吸声、吸波材料等方面。本文使用计算机模拟技术研究了三维连通SiC和C泡沫材料在吸波、传热、力学、流体力学方面的特性，并通过实验验证了C泡沫的吸波性能以及SiC的传热性能。研究结果表明： SiC泡沫和C泡沫的吸波效果比其块状材料有了较大提高，主要是因为泡沫具有较低的有效介电常数，有利于与自由空间的阻抗匹配：泡沫的三维结构能与入射的电磁场相互耦合，产生感应电流，损耗磁场能量，使得泡沫材料具有伪磁性，增强了吸波能力；泡沫的吸波能力受体积分数、电导率及样品尺寸等因素的影响，通过对这些因素的优化设计，发现了最佳的吸波效果对应的相关参数；复合后的泡沫材料吸波效果大大降低，归因于其有效介电常数的上升，阻抗失配严重。 通过计算四种模型下的热导率随体积分数的变化规律，发现泡沫材料随着体积分数的增加，热导率呈非线性增加。通过对计算结果的分析，拟合出如下的公式用于估算泡沫材料的热导率，即Keff/Kreal=0.0005+0.35f+0.69f2+0.055f3。计算中发现，以14面体模型为例，单胞大小、单胞个数等因素对有效热导率的计算结果影响并不是很大。通过分析三维连通网络SiC泡沫中的温度场及热流分布，发现热流量在筋上的分布与筋的方向和温度场的方向有很大的协调关系。泡沫中热量传递主要是靠平行于温度场的筋来实现的，垂直温度场方向的筋中的热流量非常低。 SiC泡沫的有效弹性模量随着体积分数的增加呈抛物线增长，可用式Eeff/Es=f2来预测泡沫SiC的弹性模量；泡沫SiC材料的泊松比随体积分数的增加而减小，当体积分数增加到0.6之后，有效泊松比趋于定值，并与块状SiC有着相同的数值；分析中发现泡沫筋节点部位应力集中现象明显，因此是泡沫SiC陶瓷的薄弱部位，可能会在这些部位发生断裂。 流体在泡沫介质中流动时，速度是非常不均匀的，存在着流体流动阻力最小的通道，流体易于在这些通道中流过；泡沫介质中，速度矢量方向不再像光管或翅片管那样，而是呈杂乱方向分布，因此当以这种材料填充作热管或换热器件时，会使速度场的方向和温度梯度的方向协同程度加强，从而大大增加换热效率。对于给定单胞大小，随着体积分数的增加，压降增加；对固定体积分数而言，它的压降随着单胞尺寸增加而降低。在同一单胞尺寸下，渗透率随着体积分数的增大逐渐降低；对于固定体积分数，随着单胞尺寸的增大，渗透率升高。惯性系数是随着泡沫介质的复杂通道的曲折性的增加和体积分数增大而增加的。摩擦系数在同一体积分数下，随单胞大小变化不是十分明显，它只与体积分数有关系，体积分数越大，摩擦系数越大。 收起