新方法可以看到纤维的3D图像并利用它来预测导热性

  当飞行器以超音速穿越空间时,其周围的气体会产生热量,对飞行器内的驾驶员和仪器设备来说是危险的。要设计出能够驱除热量的飞行器,就必须了解用于制造飞行器的材料的热性能。伊利诺伊大学香槟分校(UIUC)最近的一项研究开发了一种方法来创建复合材料内纤维的3D模型,然后利用这些信息来预测材料的导热性。

  我们使用X射线微断层扫描技术来创建显示纤维方向的3D图像,UIUC航空航天工程系的教师Francesco Panerai说。在大多数工程应用中,都是使用碳纤维制成的复合材料,但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。

  微断层扫描类似于在医院里做CT扫描,只不过采用的是高能X射线,可以检测到微纤维中的细微细节,这些微纤维的直径只有一根头发的一小部分。

  纤维组织的图像是对材料在三维网格中的描述。现在,我们可以利用三维网格中的数据来进行模拟计算材料特性,否则就必须进行复杂的实验。Panerai说。

  在研究的第一部分,Panerai和他的同事测试了三种不同的方法来可视化纤维。研究发现,由于不同的材料是由不同的架构组成的,某些方法对某些纤维和织品的效果比对其他纤维和织品的效果更好。例如,无处不在的结构张量方法在直的随机纤维上表现出非常好的性能,但不能准确估计双向密集编织的方向。另一种基于人工通量的方法在双向编织样品上表现出比较好的性能,但在直的随机纤维上却失败了。新颖的射线浇铸法显示出有望成为估计曲率小的纤维材料取向的方法。但是,它的主要缺点是计算成本高。

  Panerai表示:现在,我们可以跟踪纤维在空间中的方向,并确定它们之间的空间位置,我们可以在三维空间中计算材料的属性(比如导热系数),可以获得非常准确的值。而如果要用实验的方式来测量导热性,就需要做三个实验,每个方向一个。使用这种新方法,我们可以更快地计算张量,并预测三个方向的特性,而且成本更低。

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