纳米隔热材料力学性能的尺度研究与实验验证

As an emerging super-nano-insulating materials, silica dioxide aerogels have important applications in the aerospace field, but the poor mechanical properties limit the development and application of this material.Therefore, improvement of its mechanical properties becomes an important challenge. Taking the ceramic fiber reinforced silica dioxide aerogel composites as the object and considering the interior multiscale structures, this project is planned to investigate the mechanical behaivors sysmetically, with combining the experiments and numerical simulation. Firstly, the typical mechanical tests on the material is carried out and the multiscale structures in the material are characterized by using scanned electron microscope (SEM), obtaining the mechanical properties and deformation mechanism of this material. In addition, bridging the molecular dynamics (MD) simulation, discrete element method (DEM) and finite element method (FEM),a multiscale mechanical model is developed for the fiber reinforced aerogel material and a numerical simulation method is obtained, i.e. building corresponding mechanical model at different scales, and connecting the simulation methods by certain controlling equations, and a method is obtained which is suitable for research on the mechanical behaviors of composites with typical multiscale structures. Improvement on the multiscale mechanical model is made based on the validation of the numerical simulation with the experimental results. Subsequently, the strength criterion of fiber reinforced aerogel composites is finally obtained for the engineering application. Furthermore, the study of this project is expected to provide an insight into the optimal design of such materials.

二氧化硅气凝胶作为新型的超级纳米隔热材料在航空、航天领域具有重要的应用前景，但是较差的力学性能制约了其发展和应用。因此，如何提高其力学性能成为该类材料研究所面临的一个重要挑战。本项目拟以陶瓷纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料为研究对象，根据该类材料内在结构多尺度的特点，拟结合实验与数值模拟方法针对其力学行为开展较为系统的研究。通过扫描电镜等先进设备观察材料内部的多尺度结构，并进行系统的力学性能测试，以获取该类材料在不同载荷下的力学性能和变形机制。此外，结合分子动力学、离散元和有限元法，发展一种适用于纤维增强气凝胶复合材料的多尺度力学模型，即：在不同尺度上分别建立相应的力学模型，通过控制方程建立不同尺度模拟方法之间的关联，最终形成一套适用于研究具有典型多尺度结构复合材料力学行为的数值模拟方法。并结合实验和数值模拟结果，建立工程适用的失效判据，为材料性能的优化设计奠定理论基础。

二氧化硅气凝胶作为新型的超级纳米隔热材料具有重要的应用前景，但是较差的力学性能制约了其发展和应用。因此，如何提高其力学性能成为该类材料研究所面临的一个重要挑战。本项目以陶瓷纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料为研究对象，在实验、理论和模拟研究方面开展的工作和主要成果为：制备了加入随机短纤维增强的气凝胶纳米隔热材料,通过扫描电镜等先进设备观察材料内部的多尺度结构，开展了该类材料不同特征方向上的三点弯曲、压缩等力学性能的测试，获得了该类材料在不同载荷下的力学性能和变形机制。基于MD 模拟和近似理论研究结果，提出了描述纳米多孔隔热材料内部初级粒子间相互作用机制的理论模型，并在该模型中考虑了初级粒子间的缩聚反应。基于该模型建立了反映纳米多孔隔热材料微观结构特征的纳米颗粒团簇结构模型, 利用离散元方法（DEM）预测了纳米多孔隔热材料的拉伸、压缩力学行为, 研究了加载过程中纳米多孔隔热材料微观结构的演化规律，确定了纳米多孔隔热材料在不同加载模式下的失效机制。利用纤维空间随机分布算法，建立了能够反映随机纤维增强氧化硅气凝胶隔热复合材料细观结构特征的有限元（FEM）模型。建立了氧化硅气凝胶基体材料的宏观等效本构模型，进而模拟了复合材料中短纤维在不同载荷方向上的增强、增韧作用对材料力学性能的影响规律。最终形成一套适用于研究具有典型多尺度结构复合材料力学行为的数值模拟方法。并结合实验和数值模拟结果，建立工程适用的失效判据，为材料性能的优化设计奠定了理论基础。