文獻(xiàn)翻譯-碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有不同編織結(jié)構(gòu)的電磁特性的數(shù)值模擬

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)翻譯與原文題目： 碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有不同 編織結(jié)構(gòu)的電磁特性的數(shù)值模擬 學(xué) 院： 測(cè)試與光電工程學(xué)院專業(yè)名稱： 測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 二Oxx 年 四 月 碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有不同編織結(jié)構(gòu)的電磁特性的數(shù)值模擬A. M. Hassan, J.F. Douglas, and E.J. Garboczi 材料和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)劃分，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所，蓋瑟斯堡，MD 20899，美國(guó)材料科學(xué)和工程部，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所，蓋瑟斯堡，MD20899，美國(guó)摘要：碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料(CFRPC)由于其特殊的力學(xué)性能，在航空航天和汽車行業(yè)具有很好的前景。碳纖維通常編織和間垂直在束腰經(jīng)紗和緯紗中，形成碳纖維布可以嵌入到一個(gè)綁定矩陣中。經(jīng)紗和緯紗可以在不同的模式，稱為編織結(jié)構(gòu)隔行掃描。主要的編織結(jié)構(gòu)是平原，斜紋、和緞紋組織，形成不同的的綜合機(jī)械性能。這項(xiàng)工作的目標(biāo)是計(jì)算和分析CFRPC微波的依賴性和太赫茲電磁特性編織結(jié)構(gòu)。由于其波長(zhǎng)可比較主要編織的功能，這些通常成為無(wú)損評(píng)價(jià)(NDE)CFRPC的重要后備因素。三維全波電磁仿真的幾種不同的編織模型已使用有限元（FEM）執(zhí)行模擬器，能夠準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜編織結(jié)構(gòu)。計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明CFRPC從電磁波的反射取決于編織結(jié)構(gòu)的敏感問(wèn)題。反射光譜計(jì)算在這項(xiàng)工作可以用于識(shí)別每個(gè)編織結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)的最優(yōu)頻率 .關(guān)鍵詞：碳纖維、斜紋、緞紋、平紋、太赫茲，微波，篩選、COMSOLPACS系統(tǒng): 81.05.Ni, 81.05.Lg, 81.05.uj, 81.70.-q, 81.70.Ex 介紹全球碳纖維市場(chǎng)正在迅速擴(kuò)大，預(yù)計(jì)將幾乎翻一番，從美國(guó)2013年的18億美元，到美國(guó)2018年的30億美元1。碳纖維是石墨絲碳原子類結(jié)晶體，沿纖維軸對(duì)齊。通常情況下，碳纖維具有從10微米和5微米不等的直徑其中包含數(shù)以千計(jì)的碳纖維束。這些炭纖維束是通常編織和間里面摻垂直經(jīng)線和緯線，形成可以嵌入到碳纖維布結(jié)合聚合物形成碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料料（CFRPC）。編織結(jié)構(gòu)可以分為三個(gè)主要結(jié)構(gòu)稱為平原、斜紋、緞紋組織如圖1所示，以及許多其他的變化?？椢飵缀谓Y(jié)構(gòu)是使用TexGen開(kāi)放源碼軟件生成的2。不同的編織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的力學(xué)性能。例如，一項(xiàng)由Rattan et al 開(kāi)展的研究表明，平紋組織執(zhí)行最好跟著緞紋組織，然后斜紋的沖蝕磨蝕CFRPC采用浸漬技術(shù)制作進(jìn)行研究3。本研究的目標(biāo)是專注于CFRPC，以補(bǔ)充他們的機(jī)械的眾多研究的電磁(EM)性能屬性。 最近，纖維復(fù)合材料的電磁特性的數(shù)值模擬受到了越來(lái)越多的關(guān)注4-5 Mirotznik et al.用嚴(yán)格的耦合波(RCW)算法預(yù)測(cè)機(jī)織的玻璃纖維復(fù)合材料的頻率范圍從直流電磁性能達(dá)到50GHz4。RCW算法是能夠預(yù)測(cè)和解釋實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的由玻璃纖維復(fù)合材料產(chǎn)生的模諧振。該模型的主要設(shè)想是在圖1中的地區(qū)在哪里經(jīng)緯重疊順序并不重要。也就是說(shuō)，在圖1中，標(biāo)記為x的經(jīng)線位于緯線的頂端，標(biāo)記為y的緯線位于經(jīng)線的頂端4。因此，所有重疊區(qū)域進(jìn)行了模擬與雙非重疊區(qū)域的厚度和介電屬性等于平均的個(gè)別的介電性能的經(jīng)線和緯線4。Wang et al.使用全波有限時(shí)域差分（FDTD）來(lái)研究CFRPC中寬帶從屬性直流頻率至2T赫茲5。然而，由Wang et al.制作的碳纖維模型被非隔行掃描5。在這項(xiàng)工作，類似Wang et al.CFRPC的全波仿真進(jìn)行了研究種類繁多及其電磁性能研究頻率，但對(duì)隔行碳纖維進(jìn)行了明確的模擬。此外，以準(zhǔn)確的順序的經(jīng)線和緯線在重疊區(qū)域建模。從事這項(xiàng)工作的全波規(guī)劃求解是無(wú)線射頻模塊的商業(yè)有限元Comsol包6CFRPC編織與不同的幾何參數(shù)進(jìn)行調(diào)查，闡明這些參數(shù)對(duì)電磁響應(yīng)的影響。電磁響應(yīng)的CFRPC在微波和太赫茲范圍是豐富的信息，因此，可以用在CFRPC的無(wú)損評(píng)價(jià)(NDE)。COMSOL模擬的驗(yàn)證若要驗(yàn)證此應(yīng)用程序模擬的精度，選擇一個(gè)測(cè)試用例的解析解和COMSOL結(jié)果進(jìn)行比較。測(cè)試用例是無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)體電線組成的數(shù)組。每個(gè)金屬絲的半徑、a比d線之間的距離?。╝=0.01d）。激勵(lì)由平面波垂直于導(dǎo)線陣列組成。線陣列和勵(lì)磁的配置如圖2（a）所示。電線在一個(gè)方向無(wú)限長(zhǎng)并反復(fù)周期性地，d在另一個(gè)方向的一步，采用周期性邊界條件（PBC)。周期性結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致在更高的頻率，除了在所有的頻段經(jīng)營(yíng)的主導(dǎo)模式Floquet模式的出現(xiàn)4。Floquet模式將指定與指數(shù)m和占主導(dǎo)地位模式將對(duì)應(yīng)指數(shù)m=0。圖2(b)在圖2(a)從線陣列的反射系數(shù)顯示了不同的模式。反射數(shù)為橫坐標(biāo)d/，其中為在自由空間中的入射波的波長(zhǎng)。因此，參數(shù)d/是與入射平面波的頻率成正比的。某些商業(yè)設(shè)備或材料在本報(bào)告中必須確定以充分指明實(shí)驗(yàn)的程序。在任何情況下，意味著推薦或認(rèn)可由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)認(rèn)可的，但這也不意味著設(shè)備或使用的材料一定是對(duì)目的最好的。圖2（b）情況下,主導(dǎo)模式的反射系數(shù)的大小顯示為藍(lán)色（圓圈）。高階模態(tài)、m=1和m=-1，開(kāi)始傳播 2時(shí)開(kāi)始傳播。圖3c比較不同的高度，h，當(dāng)h = 0時(shí)，緯線和經(jīng)線之間，緯度纖維和經(jīng)度纖維合并在同一平面上，如圖4所示。例h = d/2、d/4和0所示了固體藍(lán)、虛線的紅色和黑色點(diǎn)劃線，如圖3 (c)。隨著h高度的降低，反射的功率慢慢地收斂到的極限情況下的h = 0。DCFRPC的典型值為0.2毫米5。因此，在圖3（c）的頻率范圍對(duì)應(yīng)到0.75太赫茲到4.5的太赫茲，在當(dāng)前商業(yè)太赫茲系統(tǒng)的操作范圍內(nèi)的頻率范圍8。此外，一旦碳纖維嵌入在聚合物中，圖3 (c)所示的特點(diǎn)，將發(fā)生在由因子相等于聚合物的折射率較低的頻率中。圖5（a）顯示了正視圖，圖5 (b)顯示了側(cè)面圖，而圖披露顯示COMSOL三個(gè)三維（3D）單元細(xì)胞排列的交錯(cuò)的平紋編織碳纖維。在圖5中隔行掃描的情況下具有完全相同的尺寸圖3和圖4中非隔行掃描的情況。經(jīng)線纖維和緯線纖維之間的不同高度的影響，如圖6所示。與圖3 (c)比較圖6，很明顯是從非隔行掃描反射的功率和交錯(cuò)編織的顯著差異。因此，編織物的幾何形狀精確需要的總的反射功率準(zhǔn)確預(yù)測(cè)模擬。此外，圖6中反映的低頻率 d功率小于圖3（C）中反映的總反射功率。這可以由隔行掃描的差距區(qū)域可以被穿透這個(gè)事實(shí)來(lái)解釋，從而減少反射回源方向的力量。最后，由于經(jīng)線纖維和緯線纖維之間高度變小，當(dāng)h=0時(shí)，總反映電力收斂緩慢的情況如圖4中所示。可以通過(guò)減少纖維之間的間距增加纖維織物的松緊程度。圖7（a）顯示相同隔行平紋組織單位的單元格具有相同的碳纖維尺寸，但纖維降至0.15 d而不是在0.25 d的間距如圖5a?？偡从硰臏p少間距交錯(cuò)的平紋組織的張力表現(xiàn)在圖7 (b)。如圖表7（b）所示，纖維編織的越緊，反射的功率越高，屏蔽功能越高。結(jié)論和今后的工作廣泛的計(jì)算實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究碳纖維織物不同的編織幾何圖形如何影響總的反射率。這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在可以進(jìn)行CFRPC無(wú)損檢測(cè)之前，需要知道不同編織物組織結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出復(fù)雜頻率選擇性響應(yīng)。在低頻率下，非交錯(cuò)編織的屏蔽效能是高于交錯(cuò)編織的。減少經(jīng)線纖維和緯線纖維之間高度和纖維之間的間距可以增加屏蔽效能。今后的工作將涉及額外的織物組織結(jié)構(gòu)如緞面和斜紋編織，建模與準(zhǔn)確的電導(dǎo)率值而不是絕對(duì)的導(dǎo)體，碳纖維和碳纖維嵌入聚合物的研究。此外，在這項(xiàng)工作中，需要編織物的幾何結(jié)構(gòu)將在不同界面纖維作更精確的選擇而不是使用矩形截面，需要精確建模的實(shí)際曲率而不只是編織的假設(shè)一個(gè)方形幾何，如圖5（c）。最后，在這項(xiàng)工作經(jīng)線被假定為完美的直線，而在真正的CFRPC，他們可能遇到脹形，其中將也加以研究。認(rèn)識(shí)這項(xiàng)工作是根據(jù)NIST項(xiàng)目資助，碳納米復(fù)合材料制造：加工、特性、性能、，這就是致力于發(fā)展微波在線質(zhì)量控制傳感器的聚合物基納米復(fù)合材料制造的大型項(xiàng)目。引用1./reports/chemical_composites/growth_opportunities_global_carbon_fiber_market_2013_2018_december_2012.aspx(accesse-d August 2013).2. M. Sherburn and A. Long, TexGen Open Source Project. / (accessed August 2013).3. R. Rattan and J. Bijwe, Materials Science and Engineering A, 420, 342350, (2006).4. M. Mirotznik, S. Yarlagadda, R. McCauley, and P. Pa, IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, 60, 158-169, (2012).5. J. Wang, B. Zhou, L. Shi, C. Gao, B. Chen, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 61, 2646-2654, 2013.6. / (accessed August 2013).7. Sergei Tretyakov, Analytical Modeling in Applied Electromagnetics, Ar