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新方法可以看到3D纤维 并用它来估算电导率

当车辆以高超音速的速度行进时,其周围的气体会在危险温度下为内部的飞行员和仪器产生热量。设计一种可以驱散热量的车辆,需要了解用于制造热量的材料的热特性。伊利诺伊大学香槟分校最近进行的一项由两部分组成的研究开发了一种方法,可以在复合材料中创建纤维的3-D模型,然后使用该信息来预测材料的热导率。

UIUC航空航天工程系的教授Francesco Panerai说:“我们使用X射线显微断层摄影术创建了显示纤维取向的3D图像。” “在大多数工程应用中,我们使用由碳纤维制成的复合材料,但是我们开发的方法可以应用于任何种类的纤维和任何种类的复合材料。”

沛纳海(Panerai)说,显微断层摄影术类似于在医院进行CT扫描,但是具有高能X射线,可以探测微纤维中的细微细节,这是单根头发直径的一小部分。

“显示纤维如何组织的图像不仅仅是漂亮的图片,它们是对三维网格中材料的描述。现在,我们可以使用3-D网格中的数据进行模拟以计算材料属性否则,您将不得不进行复杂的实验。”

在这项研究的第一部分中,沛纳海和他的同事们测试了三种不同的方法来可视化纤维。“我们发现,由于不同的材料由不同的架构组成,因此某些方法在某些纤维和编织上的效果要好于其他方法。”

例如,研究得出结论,普遍存在的结构张量方法在直的,随机的纤维上显示出非常好的性能,但是未能准确估计双向密集堆积编织的方向。

另一种基于人工助熔剂的方法在双向织造样品上表现出相对较好的性能,但在直线无规纤维上却失败了。

新颖的射线铸造方法显示出有望成为估计曲率小的纤维材料取向的有力方法。但是,其主要缺点是计算成本高。

“现在,我们可以按照空间中纤维的方向并确定它们之间的空间,我们可以在三个维度上计算材料属性,在这种情况下是其导热系数,并具有非常精确的值。

“而且,要通过实验测量电导率,您需要进行三个实验,每个方向一个。使用这种新方法,我们可以更快地计算出张量并预测三个方向上的特性,并且更具成本效益。”

沛纳海表示,这种可视化纤维的新方法以及确定材料特性的可靠能力可以帮助重新设计材料。

他说:“我们可以使用非常特殊的纤维结构来达到一定的性能,例如强度或导电性。” “热导率是从事高温材料研究的每个人都试图估算的。这似乎是一个非常简单的特性,但是却很难测量,尤其是对于三维材料。这就是这种方法的强大之处。 ”

NASA艾姆斯研究中心研究的主要作者Frederico Semeraro说:“计算热导率对于可靠地预测隔热屏响应至关重要。此外,已开发的方法和数值方法非常灵活,可以进行计算具有许多材料特性。全面了解隔热板的性能将最终实现其设计的优化。”

Federico Semeraro,Joseph C. Ferguson,Francesco Panerai,Robert J. King和Nagi N. Mansour撰写了研究的第一部分,“纤维和编织材料的各向异性分析,第1部分:局部取向的估计”。它出现在计算材料科学中。

Federico Semeraro,Joseph C. Ferguson,Marcos Acin,Francesco Panerai和Nagi N. Mansour撰写了研究的第二部分,“纤维和编织材料的各向异性分析,第2部分:有效电导率的计算”,并发表在《计算》上。材料科学。

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