光子晶体热控涂层的力学行为研究.pdf
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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 II Abstract In the region of near-earth space, because of the high-speed friction, the covering of the spacecraft sustains extremely high temperatures. It is an important problem to improve the efficiency of the reflection. Because of the total emission, the photonic crystal is a new
2、-style thermal control coating material. The material as a thermal control coating must sustain combined loads. The research of the mechanical behavior has importance in improving the material property and optimizing the preparation method. The most photonic crystal studies are about preparation met
3、hods, optical properties and applications. There is little about the mechanical property. The photonics crystal is consisted of two different kinds of material, and the internal structure is complex, thus the properties of the photonic crystal are extremely different from the solid material. The sim
4、ilar research is about the properties of foam metal. The pore of the photonic crystal is in the scale of nanometer, thus, the mechanical properties between the photonic crystal and the foam metal are in great diversity. In order to research the mechanical properties of the photonics crystal, the nan
5、oindentation, finite element simulation and numerical calculating are used. The research contents are as follows: First, in order to prepare the photonic crystal for the nanoindentation experiment, this article prepares the colloidal templates of polystyrene on the substrate material by the cant sel
6、f-assembly method, and then, the photonic crystal on the colloidal templates by the electrodeposition method. According to the research of the appearance characteristics, the best experimental parameters of preparation can be identified. Second, And then, the mechanical properties are researched by
7、the math model. The influencing factors of the mechanical properties are discussed. And the computational formulas of the modulus of elasticity, shear modulus and bulk modulus are obtained. And then, the mechanical properties are researched by the finite element method. The variation of the hardness
8、 and elastic modulus caused by the indentation depth are discussed. Finally, the indentation force as a function of the indentation depth is researched by the nanoindentation method. Using the Oliver-Pharr method to research the relation between the indentation force and the indentation depth, the v
9、ariation of the contact stiffness, hardness and elastic modulus caused by the diameter of pore and the indentation depth are discussed, respectively. Comparing with the numerical 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 III solution, the math model and finite element model can be verified,repectively. Keywords: photonic cry
10、stal, nano-indentation, finite element, numerical simulation, mechanical behavior 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 I 目 录 摘 要 . I Abstract . II 目 录 . I 第 1 章 绪 论 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 课题研究的目的及意义 . 2 1.3 国内外研究现状 . 2 1.3.1 热防护系统的研究现状 2 1.3.2 光子晶体的研究现状 4 1.3.3 光子晶体的力学性能的研究现状 8 1.4 本文的主要研究内容 . 8 第 2 章 镍光子晶体的制备及形貌特征研究 10 2.1
11、 聚苯乙烯胶体模板的制备 . 10 2.1.1 斜面自组装技术的原理 10 2.1.2 聚苯乙烯胶体模板的制备 . 11 2.2 镍光子晶体的制备 11 2.2.1 电沉积法的原理 . 11 2.2.2 镍光子晶体的制备 12 2.3 实验参数对光子晶体形貌特征的影响 . 14 2.3.1 沉积电压对形貌的影响 14 2.3.2 沉积温度对形貌的影响 15 2.3.3 溶液 pH 值对形貌的影响 . 16 2.4 本章小结 . 16 第 3 章 光子晶体力学参数数学建模及有限元仿真研究 18 3.1 光子晶体力学性能参数的数学建模 . 18 3.1.1 光子晶体等效弹性模量的数值分析 18 3
12、.1.2 相对密度对光子晶体力学行为的影响 25 3.2 基于有限元仿真的光子晶体力学行为分析 . 26 3.2.1 有限元模型的建立 26 3.2.2 有限元模型的验证 28 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 II 3.2.3 压入深度对力学行为的影响 30 3.3 本章小结 . 32 第 4 章 基于纳米压痕的光子晶体力学行为研究 34 4.1 纳米压痕实验简介 . 34 4.2 基于纳米压痕的光子晶体力学行为实验研究 . 35 4.2.1 压入深度与载荷的变化规律研究 36 4.2.2 微孔粒径与载荷的变化规律研究 39 4.3 基于 Oliver-Pharr 法的光子晶体力学行为研究 .
13、 42 4.3.1 Oliver-Pharr 法的原理 42 4.3.2 基于 Oliver-Pharr 法的刚度变化规律研究 44 4.3.3 基于 Oliver-Pharr 法的硬度变化规律研究 45 4.3.4 基于 Oliver-Pharr 法的弹性模量变化规律研究 46 4.4 本章小结 . 48 结 论 49 参考文献 51 攻读硕士学位期间已发表的论文攻读硕士学位期间已发表的论文 55 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 56 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 56 致 谢 57 哈尔滨工业大学工学硕士
14、学位论文 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景 航天科技的发展是国家发展的重要组成部分1。目前,飞行器主要在 30-70 公里的近地空间下飞行,由于高速摩擦产生的热累积使得飞行器的外蒙皮需要 承受极高的温度2-4。为了保证飞行器内部的电气元件的正常工作和飞行器机械 结构的稳定性,需要对飞行器表面进行隔热处理。现有的高速飞行器广泛采用 的是陶瓷防热瓦系统,具有稳定性好、制造成本低和加工工艺性好等特点。但 同时存在着强度低、脆性大和易吸潮等缺点,并且还存在着重复性差和可靠性 低等问题。为了更好的提高金属热防护性能,弥补陶瓷防热瓦的上述不足,寻 找高辐射率的耐高温材料是一个重要的发展方向5。 光
15、子晶体是介电常数不同的两种材料在空间上按一定的规律排列形成的周 期性有序结构6,7。研究表明,通过对光子晶体的结构参数进行控制和表面形貌 进行修饰,可以实现从可见光到红外波段的高反射性。因此,通过选择合适的 材料体系,在微纳米尺度构筑周期性排列的有序结构来改变材料的光学性能, 增强材料在红外波段的反射性和辐射性,可以制作出高性能的热控涂层。图 1-1 为镍光子晶体在扫描电镜下的微观形貌,镍光子晶体主要由镍单质构成,在其 内部存在着周期性排列的微孔结构。 图 1-1 光子晶体结构图 光子晶体在加工和作为功能材料的应用过程中,难免会受到一定的载荷作 用。特别是作为结构和热功能材料的场合,常常会受到
16、多种载荷共同作用。力 学性能是材料研究和使用的基本参数,要将光子晶体制作涂层应用于工程实 际,除需测定其反射、辐射等物理特性外,其力学性能的好坏则是控制热控涂 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 层应用的重要前提8。而目前对于光子晶体的研究主要集中在光子晶体的制备 和光学性能研究方面,尚未见其力学性能的相关报道。光子晶体类似于多孔材 料,但其微孔结构一般在纳米级别,其结构性能与常见的泡沫材料相差较大。 因此,全面、系统的研究光子晶体的力学行为对光子晶体制备方法的改进和材 料性能的优化具有重要的意义。 本项目应该来源于国家自然科学基金重大基础研究计划基于三维光子 晶体的新型热防护涂层设计与制备技
17、术研究。 1.2 课题研究的目的及意义 目前,飞行器主要在 30-70 公里近地空间飞行,机体常常处于 600-1000 的环境下。在此环境下,能量辐射主要集中在 1-10m 的红外区。提高涂层在 此波段的反射性和辐射性成为提高热控涂层热辐射系统效率的关键,增强材料 在红外光波段的反射性和辐射性具有重要的意义。通过控制基体材料的性能和 微纳米尺度的有序性可以实现对材料光学特性的控制,实现对特定波段光的全 反射性。因此,光子晶体是一种新型的热控涂层材料。 光子晶体在加工和使用过程中均会受到一定的载荷作用,而作为热控涂层 受到的载荷作用会更加复杂。将光子晶体作为涂层材料应用于工程领域中,其 力学性
18、能的好坏是作为热控涂层的前提和保证。光子晶体一般由两种不同性质 材料组成,而且内部结构复杂,其力学性能如弹性模量、拉压强度、屈服强度 和硬度等于基体材料相比差异较大。光子晶体微观类似于多孔材料,对于多孔 材料的研究目前主要集中在对泡沫金属的力学性能,以及多孔材料的细管力学 性能,但光子晶体的颗粒的尺寸一般在纳米级别,泡沫金属的力学性能研究方 法不能完全适用于光子晶体的力学行为研究中。作为热控涂层,除受周围的环 境影响外,其内部应力变化也十分复杂。研究其力学行为,可以全方位的掌握 材料的力学性能,对材料的制备和材料的应用中出现的起皮和断裂等现象的解 释提供理论依据。因此,研究光子晶体的力学性能不
19、仅具有重要的理论意义也 有很好的实用价值。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 热防护系统的研究现状 热防护系统(Thermal Protection System, TPS) 是指通过利用热控材料的功能 特性,并采用一些散热和隔热的措施,保持航天器内的温度在正常工作范围内 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 的保护系统9。热防护系统的结构如图 1-2 所示,其结构组成由外烧灼层、力 承载结构层、隔热层和散热层四部分组成10。 图 1-2 热防护系统结构示意图 目前,热防护系统可分为两类10:陶瓷瓦热防护系统和金属热防护系统。 陶瓷瓦热防护系统具有加工成本低的优点,但其有强度低、脆性大和相容性
20、差 的缺点。为了满足飞行器最新的技术要求,金属热防护系统将逐步成为热防护 系统的新的发展方向。金属热防护系统与基体材料相容性好,具有相同的热膨 胀系数,同时,还具有韧性高和耐冲击的特点。1970 年至今,热防护系统大体 上可分为四个发展阶段,其发展过程如图 1-3 所示,可见,19 世纪末到 20 世纪 初,金属热防护系统已成重要的发展趋势。 图 1-3 热防护系统发展过程示意图 如图 1-4 所示,金属防护系统主要由抗氧化防热层、低密度隔热层和力承 载层三部分组成。抗氧化防热层是由具有高辐射性和高反射性的金属薄膜材料 构成;低密度隔热层是由低密度氧化铝纤维构成,具有组织热流进入机体结构 19
21、70 1980 1990 2000 战略导弹和宇战略导弹和宇宙飞船防护系统宙飞船防护系统 航天飞机第一代的热防护系统航天飞机第一代的热防护系统 烧灼材料烧灼材料(碳碳-碳、甲基硅橡胶、石英纤维和环氧树脂等碳、甲基硅橡胶、石英纤维和环氧树脂等) 航天飞机第二代的热防护系统航天飞机第二代的热防护系统 RCC,Li-900/RCG,HRSI,AFRSI,FRSI RLV 的热防护系统的热防护系统 ACC,AETB/TUFI,TABI/CFBI,PBI 未来空间飞机的热防护系统未来空间飞机的热防护系统 RCC,Incone1617 Gr-Ep/PBI 主动冷却机头,主动冷却机头,HfB/SiCr 金属
22、陶瓷金属陶瓷 外烧灼层 力承载层 隔热层 散热层 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 的作用;力承载层是由绝缘材料构成,用以维持板面形状和承受外界的热载荷 的作用。 图 1-4 金属防护系统结构示意图 与传统的陶瓷瓦的热防护系统相比,金属防护系统具有显著的优势,随着 新型的复合材料和金属材料的发展,特别是具有高反射率和高辐射率的光子晶 体薄膜的发展,金属防护体系必将成为航天器防热系统的最佳选择。 1.3.2 光子晶体的研究现状 光子晶体(Photonic Crystals, PCs) 是由两种或者两种以上的介电常数不同的 材料,按一定的周期性的规律在空间上排列形成的有序结构。这一概念由 Joh
23、n 和 Yablonovitch6,7于 1987 年分别提出。晶体中原子周期性排列产生的电势场对 电子有一定约束作用,对特定频率的电磁波也是禁止传播的。这些频率区间被 称为光子禁带。通过选择特定介电常数的材料和控制排列的有序性可以控制 光子禁带的区间。如图 1-5 所示,在自然界中,蝴蝶的翅膀、蛋白石和老鼠毛 均有类似的全反射性质。 图 1-5 自然界的类光子晶体结构及其微观结构11 光子晶体是一种具有光子能带和光子能隙的材料,根据能隙在空间拓扑结 构的分布规律,可将光子晶体分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶 体,其结构示意图如图 1-6 所示9-11。 抗氧化防热层 低密度隔热层
24、承力结构 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5 a)一维光子晶体 b)二维光子晶体 c)三维光子晶体 图 1-6 光子晶体结构图11 一维光子晶体是指有且只有一个方向上由两种介电常数不同的介质片材料 交替堆叠而成的具有光子带隙结构的材料。如图 1-a)所示,在垂直于介质片材 料的方向上,介电常数随位置周期性变化,而在平行于介电片的方向上,介电 常数是恒定不变的。二维光子晶体是指在二维空间内,每个方向上均存在光子 带隙现象的材料。如图 1-6b)所示,即为二维光子晶体的结构示意图。在二维光 子晶体的界面上,存在介电常数不同的周期性结构。周期性结构影响光子带隙 的宽窄。三维光子晶体是指在三维空间的三
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- 光子 晶体 涂层 力学 行为 研究
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