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光子晶体热控涂层的力学行为研究

【摘要】:在近地空间,飞行器飞行时与空气高速摩擦使其外蒙皮需要承受极高的温度。因此,提高反射效率成为热防护技术亟待解决的一项重大难题。光子晶体是一种新型的热控涂层材料,作为结构和热功能材料,光子晶体在使用过程中常常会受到多种载荷作用,研究其力学性能对光子晶体制备方法的改进、材料性能的优化以及指导其实际应用具有重要的意义。 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的研究,对于力学的研究甚少。由于光子晶体一般由两种不同性质材料组成,内部结构复杂,其力学性能与基体材料相比差异较大。类似结构的研究主要是对泡沫金属的力学性能等的研究,但光子晶体的颗粒的尺寸一般在纳米级别,其结构性能不同于泡沫金属。为了全面系统的研究光子晶体的力学性能,本文采用理论建模、数值模拟与纳米压痕实验相结合的方法对光子晶体的力学行为进行研究,具体研究内容包括以下几个方面: 首先,为了获得纳米压痕实验所需的光子晶体,本文利用斜面自组装法在基底材料上制备聚苯乙烯微球的胶体模板,并通过电沉积法在胶体模板上制备光子晶体。利用扫描电镜对不同制备参数下的光子晶体微观形貌进行研究,确定具有最佳微观形貌特征的光子晶体的制备参数。 其次,通过数学建模的方法对光子晶体的力学性能进行研究。研究光子晶体的力学性能的影响因素,推导光子晶体弹性模量、切向模量和体积模量的计算公式。并通过有限元仿真的方法对光子晶体和实体材料的力学性能进行研究。研究压入深度对硬度和弹性模量等材料力学性能参数的影响。 最后,利用纳米压痕技术对不同粒径的光子晶体的载荷-位移变化关系进行研究。并通过Oliver-Pharr法对光子晶体的载荷-位移变化关系曲线进行研究,研究光子晶体的微孔粒径和压入深度对接触刚度、硬度和弹性模量等材料力学性能参数的影响规律。并与数学建模和有限元仿真的结果作对比,验证本文数学建模和有限元仿真的正确性。

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