碳纖維梯度分布水泥基復(fù)合材料導電發(fā)熱性能的研究.pdf

1、導電發(fā)熱混凝土是近年來在國內(nèi)外發(fā)展較快的一種新型功能混凝土，但由于導電層的反復(fù)通電發(fā)熱產(chǎn)生熱應(yīng)力，不可避免的使得混凝土過早破壞以致失效。為了緩和導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)力問題，本文將梯度的概念引入碳纖維導電發(fā)熱水泥基復(fù)合材料中，使纖維按對發(fā)熱功能的要求呈階梯梯度變化。首先試驗研究了碳纖維含量按一定比例變化的梯度分布對水泥基材料力學、電熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)梯度分布對材料有利。然后以熱應(yīng)力最低為判據(jù)，運用

2、有限元對纖維含量的梯度分布進行優(yōu)化設(shè)計得出降低層間熱應(yīng)力相對較佳的一組纖維梯度分布含量，對該優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進行試驗研究，并與有限元模擬計算結(jié)果進行對比。最后對優(yōu)化設(shè)計的梯度試件與碳纖維含量相同的層狀試件進行力學性能和電熱性能對比研究。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性能對比，還進行了不同的碳纖維含量對水泥基復(fù)合材料密度、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、導熱系數(shù)、導電率、發(fā)熱溫升、抗折強度、抗壓強度和壓折比的試

3、驗研究，得出了以下結(jié)論：(一)纖維含量對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)和導熱系數(shù)降低，泊松比升高、導電率增大、發(fā)熱溫升升高，抗折強度隨著纖維含量的增加而增加，但存在一最佳含量，抗壓強度、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)合材料的力學性能和導電發(fā)熱性能：相

4、對于相同纖維含量的均勻試件，梯度試件抗折強度提高了16.1％～40.3％，相對于相同纖維含量的層狀試件，抗折強度提高了2.7％～6.2％。碳纖維梯度分布對抗壓強度的影響較小，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)計的梯度分布顯著地

5、提高了水泥基復(fù)合材料的力學性能和導電發(fā)熱性能：與相同纖維含量的均勻試件和層狀試件相比，梯度試件的抗折強度分別提高了38.6％和11.7％，抗壓強度也有所提高，壓折比明顯降低，導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

6、試驗研究表明，用有限元對纖維含量梯度分布進行優(yōu)化設(shè)計是可行的：分別經(jīng)過初步設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計兩個步驟設(shè)計了31次試驗方案，用有限元軟件對各試驗方案進行了熱應(yīng)力仿真分析，以熱應(yīng)力最低為判據(jù)，得出了相對較佳的碳纖維梯度分布含量為：0、0.1wt％、0.2wt％、0.5wt％、0.7wt％。通過對該梯度分布含量進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)其溫度分布與有限元計算結(jié)果有很好的一致性。(四)按優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果，進行了梯度試件與層狀試件的溫度場、位移變

7、形、層間熱應(yīng)力的對比研究：(1)通過有限元對梯度試件和層狀試件的溫度場分析表明：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)通過有限元對梯度試件和層狀試件的位移分析表明：相對于層狀試件，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