聚酰亚胺纤维购自江苏奥神新材料股份有限公司。 V-570UV/VIS/NIR型扫描电子显微镜(SEM,日本JASCO公司)。

利用COMSOL Multiphysics 5.3多物理场耦合分析软件,根据聚酰亚胺纤维的SEM照片,构建了聚酰亚胺纤维的三维微观模型,如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 模型示意图Fig.1 Schematic representation of the model A.Scanning electron micrograph of PI; B.Three-dimensional microscopic model of PI; C.Three-dimensional microscopic model with holes(the holes are at the edges, in the middle, and tangent to the fibers)

将聚酰亚胺纤维置于普通环境中和热辐射环境中进行模拟对比,由于模型中涉及到固体力学和固体传热的耦合,及固体力学和表面对表面辐射传热的耦合,因此使用了COMSOL Multiphysics 5.3多物理场耦合分析软件。模型中,传热过程可由传热方程(式(1))描述:

ρCp∂T∂t+Δ·q=Q(1)

式中, q=- kΔ T, ρ为PI纤维密度(kg/m³), C_p为恒压下PI纤维热容(J/(K·mol)), k为PI纤维的导热系数, Q为热通量(W/m³)。聚酰亚胺纤维部分由固体力学方程(式(2))描述:

Δσ+F=0(2)

式中, σ为应力张量, F为单位体积力(N),此外纤维受热膨胀可用热膨胀方程(式(3))描述:

εth=α(T)(T-Tref)(3)

式中, ε_th为热应变, α为热膨胀系数, T_ref为应变参考温度(K)。

模型中纤维的上下边界设定为固定约束,根据相关的实验数据,模型中材料属性设定如下:弹性模量( E)为8.2×10¹⁰ Pa,恒压热容( C_p)为1.57×10³ J/(K·mol),密度( ρ)为1.3915 g/cm³,导热系数( k)为0.24 W/(m·K),热膨胀系数( ε)为-0.1048×10^-6 K^-1。 模型中纤维直径为12 μm,长为120 μm,初始温度为25 ℃。

在实际处理中,得到的PI纤维可能会产生孔洞等缺陷,因此本文构建有孔洞的聚酰亚胺纤维三维模型,用有限元方法研究单一不同大小的孔洞,在纤维不同位置,在有无辐射的情况下的力学性质。

图2A和2B是不同大小孔洞出现在PI纤维的正中间,在热环境和热辐射环境下应力的变化,使用有限元方法,可以直接计算出应力的分布情况:在普通环境和热辐射环境条件下,有孔洞的PI纤维最大应力均大于无孔洞PI纤维的最大应力。 PI纤维没有孔洞时,应力分布均匀;当出现孔洞时,应力的最大值在孔洞处,且随着孔洞变大,应力的最大值变大。

图2

Fig.2

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	图2 在热环境(A)和辐射热环境(B)下,不同大小孔洞在PI纤维中间应力分布图Fig.2 Stress distribution for holes with different sizes in the middle of PI fiber A.Thermal environment; B.Radiant heat environment

图3描述的是不同大小的孔洞出现在PI纤维的边缘,可见,孔洞越大,应力的最大值也随之增大;图4描述的是不同大小的孔洞与PI纤维相切,孔洞越大,应力的最大值也越大。 通过对比图2-图4,相同大小的孔洞,孔洞与PI纤维相切时,其应力值最大,力学性能较差。图5详细描述了孔洞在PI纤维不同位置时,其应力的大小分布情况,孔洞在PI纤维内部时,越靠近纤维的边界,应力越大,尤其是与PI纤维相切,其应力的最大值达到最大(图9也证明此观点),孔洞在PI纤维边缘处时,随着PI纤维缺陷越来越小,其最大应力也逐渐减小。

图3

Fig.3

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	图3 在热环境(A)和辐射热环境(B)下,不同大小孔洞在PI纤维边缘应力分布图Fig.3 Stress distribution for holes with different sizes at the edge of PI fiber A.Thermal environment; B.Radiant heat environment

图4

Fig.4

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	图4 在热环境(A)和辐射热环境(B)下,不同大小孔洞与PI纤维相切应力分布图Fig.4 Stress distribution for different sizes of holes tangential to PI fiber A.Thermal environment; B.Radiant heat environment

图5

Fig.5

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	图5 在热环境(A)和辐射热环境(B)下,孔洞在PI纤维不同位置应力分布图Fig.5 Stress distribution for holes at different positions of PI fiber A.Thermal environment; B.Radiant heat environment

图6-图9描述了不同大小的孔洞在PI纤维不同位置的应力变化趋势,从平均应力曲线图可知,PI纤维孔洞的大小、位置对PI纤维的平均应力没有较大的影响。 但是在最大应力曲线图却可以看到,孔洞的大小、位置对PI纤维的最大应力有较大的影响,在普通热环境和辐射热环境下,孔洞变大,最大应力呈增长趋势;孔洞位置不同,最大应力也不同,并且有孔洞的PI纤维在辐射热环境下的平均应力和最大应力均比普通热环境下的大2.8倍左右。图2-图9均表明PI纤维出现孔洞,不利于纤维力学性质的稳定。 这表明,在不同热环境下,孔洞大小和位置对纤维的性质具有破坏性的影响。

图6

Fig.6

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	图6 孔洞在PI纤维中间应力对比图Fig.6 Stress as a function of radius of the holes in the middle of PI fiber a.average value in thermal environment; b.maximum value in thermal environme; c.average value in thermal radiation environment; d.maximum value in thermal radiation environmen

图7

Fig.7

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	图7 孔洞在PI纤维边缘应力对比图Fig.7 Stress as a function of radius of the holes as the edge of PI fiber a.average value in thermal environment; b.maximum value in thermal environme; c.average value in thermal radiation environment; d.maximum value in thermal radiation environmen

图8

Fig.8

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	图8 孔洞与PI纤维相切应力对比图Fig.8 Stress as a function of radius of the holes tangential to PI fiber a.average value in thermal environment; b.maximum value in thermal environme; c.average value in thermal radiation environment; d.maximum value in thermal radiation environmen

图9

Fig.9

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	图9 孔洞在PI纤维不同位置应力对比图Fig.9 Stress as a function of axial distance of holes a.average value in thermal environment; b.maximum value in thermal environme; c.average value in thermal radiation environment; d.maximum value in thermal radiation environmen

由于在不同使用温度范围,PI纤维表现出不同的尺寸稳定性。 在图10中,设定孔洞半径为3 μm且处于纤维中间位置,在两种热环境下,应力在PI纤维内部呈不均匀分布状态,且随着温度的升高,PI纤维内部的应力越来越大,最大应力集中在孔洞处。图12表明在普通热环境和热辐射环境下PI纤维的平均应力和最大应力均随着温度的升高而线性增加,并且可以看到两种热环境下的平均应力值非常接近,但热环境下的最大应力略大于热辐射环境下的最大应力。这些结果表明,在不同热环境下,温度的变化对PI纤维的力学性能有较大的影响。

图10

Fig.10

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	图10 在热环境(A)和辐射热环境(B)下,有孔洞PI纤维在不同温度下应力分布图Fig.10 Stress distribution of PI fibers with holes at different temperatures A.Thermal environment; B.Radiant heat environment

热膨胀系数是反映材料膨胀变形的弹性常数,是材料的一个重要指标,不同的热膨胀系数对PI纤维的应力有较为明显的影响,设定孔洞半径为3 μm且处于纤维中间,环境温度为25 ℃,改变轴向热膨胀系数的大小(该模型轴向尺寸远大于径向,通过验证发现径向热膨胀系数影响非常小),应力分布计算结果如图11和图13所示,随着负热膨胀系数的增加,普通环境与辐射热环境下应力平均值和最大值都呈减小趋势,尤其是在热辐射环境下,应力的最大值随着负热膨胀系数的增加,有较为明显的减小趋势。 结果表明负膨胀系数越接近零,PI纤维的力学性质越稳定。

图11

Fig.11

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	图11 在热环境(A)和辐射热环境(B)下,不同热膨胀系数的有孔洞PI纤维的应力分布图Fig.11 Stress distribution for PI fibers with a hole at different thermal expansion coefficients A.Thermal environment; B.Radiant thermal environment

图12

Fig.12

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	图12 PI纤维处于不同温度中应力对比图Fig.12 Stress as a function of temperatute a.average value in thermal environment; b.maximum value in thermal environme; c.average value in thermal radiation environment; d.maximum value in thermal radiation environmen

图13

Fig.13

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	图13 PI纤维的热膨胀系数不同应力对比图Fig.13 Stress as a function of coefficient of thermal expansion a.average value in thermal environment; b.maximum value in thermal environme; c.average value in thermal radiation environment; d.maximum value in thermal radiation environmen