文献翻译-碳纤维增强聚合物基复合材料具有不同编织结构的电磁特性的数值模拟

XX大学毕业设计文献翻译与原文题目： 碳纤维增强聚合物基复合材料具有不同 编织结构的电磁特性的数值模拟 学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二Oxx 年 四 月 碳纤维增强聚合物基复合材料具有不同编织结构的电磁特性的数值模拟A. M. Hassan, J.F. Douglas, and E.J. Garboczi 材料和结构系统划分，国家标准和技术研究所，盖瑟斯堡，MD 20899，美国材料科学和工程部，国家标准和技术研究所，盖瑟斯堡，MD20899，美国摘要：碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRPC)由于其特殊的力学性能，在航空航天和汽车行业具有很好的前景。碳纤维通常编织和间垂直在束腰经纱和纬纱中，形成碳纤维布可以嵌入到一个绑定矩阵中。经纱和纬纱可以在不同的模式，称为编织结构隔行扫描。主要的编织结构是平原，斜纹、和缎纹组织，形成不同的的综合机械性能。这项工作的目标是计算和分析CFRPC微波的依赖性和太赫兹电磁特性编织结构。由于其波长可比较主要编织的功能，这些通常成为无损评价(NDE)CFRPC的重要后备因素。三维全波电磁仿真的几种不同的编织模型已使用有限元（FEM）执行模拟器，能够准确地模拟复杂编织结构。计算实验结果表明CFRPC从电磁波的反射取决于编织结构的敏感问题。反射光谱计算在这项工作可以用于识别每个编织结构的无损检测的最优频率 .关键词：碳纤维、斜纹、缎纹、平纹、太赫兹，微波，筛选、COMSOLPACS系统: 81.05.Ni, 81.05.Lg, 81.05.uj, 81.70.-q, 81.70.Ex 介绍全球碳纤维市场正在迅速扩大，预计将几乎翻一番，从美国2013年的18亿美元，到美国2018年的30亿美元1。碳纤维是石墨丝碳原子类结晶体，沿纤维轴对齐。通常情况下，碳纤维具有从10微米和5微米不等的直径其中包含数以千计的碳纤维束。这些炭纤维束是通常编织和间里面掺垂直经线和纬线，形成可以嵌入到碳纤维布结合聚合物形成碳纤维增强聚合物基复合材料料（CFRPC）。编织结构可以分为三个主要结构称为平原、斜纹、缎纹组织如图1所示，以及许多其他的变化。织物几何结构是使用TexGen开放源码软件生成的2。不同的编织结构产生不同的力学性能。例如，一项由Rattan et al 开展的研究表明，平纹组织执行最好跟着缎纹组织，然后斜纹的冲蚀磨蚀CFRPC采用浸渍技术制作进行研究3。本研究的目标是专注于CFRPC，以补充他们的机械的众多研究的电磁(EM)性能属性。 最近，纤维复合材料的电磁特性的数值模拟受到了越来越多的关注4-5 Mirotznik et al.用严格的耦合波(RCW)算法预测机织的玻璃纤维复合材料的频率范围从直流电磁性能达到50GHz4。RCW算法是能够预测和解释实验检测到的由玻璃纤维复合材料产生的模谐振。该模型的主要设想是在图1中的地区在哪里经纬重叠顺序并不重要。也就是说，在图1中，标记为x的经线位于纬线的顶端，标记为y的纬线位于经线的顶端4。因此，所有重叠区域进行了模拟与双非重叠区域的厚度和介电属性等于平均的个别的介电性能的经线和纬线4。Wang et al.使用全波有限时域差分（FDTD）来研究CFRPC中宽带从属性直流频率至2T赫兹5。然而，由Wang et al.制作的碳纤维模型被非隔行扫描5。在这项工作，类似Wang et al.CFRPC的全波仿真进行了研究种类繁多及其电磁性能研究频率，但对隔行碳纤维进行了明确的模拟。此外，以准确的顺序的经线和纬线在重叠区域建模。从事这项工作的全波规划求解是无线射频模块的商业有限元Comsol包6CFRPC编织与不同的几何参数进行调查，阐明这些参数对电磁响应的影响。电磁响应的CFRPC在微波和太赫兹范围是丰富的信息，因此，可以用在CFRPC的无损评价(NDE)。COMSOL模拟的验证若要验证此应用程序模拟的精度，选择一个测试用例的解析解和COMSOL结果进行比较。测试用例是无限长导体电线组成的数组。每个金属丝的半径、a比d线之间的距离小（a=0.01d）。激励由平面波垂直于导线阵列组成。线阵列和励磁的配置如图2（a）所示。电线在一个方向无限长并反复周期性地，d在另一个方向的一步，采用周期性边界条件（PBC)。周期性结构可能导致在更高的频率，除了在所有的频段经营的主导模式Floquet模式的出现4。Floquet模式将指定与指数m和占主导地位模式将对应指数m=0。图2(b)在图2(a)从线阵列的反射系数显示了不同的模式。反射数为横坐标d/，其中为在自由空间中的入射波的波长。因此，参数d/是与入射平面波的频率成正比的。某些商业设备或材料在本报告中必须确定以充分指明实验的程序。在任何情况下，意味着推荐或认可由美国国家标准和技术认可的，但这也不意味着设备或使用的材料一定是对目的最好的。图2（b）情况下,主导模式的反射系数的大小显示为蓝色（圆圈）。高阶模态、m=1和m=-1，开始传播 2时开始传播。图3c比较不同的高度，h，当h = 0时，纬线和经线之间，纬度纤维和经度纤维合并在同一平面上，如图4所示。例h = d/2、d/4和0所示了固体蓝、虚线的红色和黑色点划线，如图3 (c)。随着h高度的降低，反射的功率慢慢地收敛到的极限情况下的h = 0。DCFRPC的典型值为0.2毫米5。因此，在图3（c）的频率范围对应到0.75太赫兹到4.5的太赫兹，在当前商业太赫兹系统的操作范围内的频率范围8。此外，一旦碳纤维嵌入在聚合物中，图3 (c)所示的特点，将发生在由因子相等于聚合物的折射率较低的频率中。图5（a）显示了正视图，图5 (b)显示了侧面图，而图披露显示COMSOL三个三维（3D）单元细胞排列的交错的平纹编织碳纤维。在图5中隔行扫描的情况下具有完全相同的尺寸图3和图4中非隔行扫描的情况。经线纤维和纬线纤维之间的不同高度的影响，如图6所示。与图3 (c)比较图6，很明显是从非隔行扫描反射的功率和交错编织的显著差异。因此，编织物的几何形状精确需要的总的反射功率准确预测模拟。此外，图6中反映的低频率 d功率小于图3（C）中反映的总反射功率。这可以由隔行扫描的差距区域可以被穿透这个事实来解释，从而减少反射回源方向的力量。最后，由于经线纤维和纬线纤维之间高度变小，当h=0时，总反映电力收敛缓慢的情况如图4中所示。可以通过减少纤维之间的间距增加纤维织物的松紧程度。图7（a）显示相同隔行平纹组织单位的单元格具有相同的碳纤维尺寸，但纤维降至0.15 d而不是在0.25 d的间距如图5a。总反映从减少间距交错的平纹组织的张力表现在图7 (b)。如图表7（b）所示，纤维编织的越紧，反射的功率越高，屏蔽功能越高。结论和今后的工作广泛的计算实验进行研究碳纤维织物不同的编织几何图形如何影响总的反射率。这些实验的结果表明，在可以进行CFRPC无损检测之前，需要知道不同编织物组织结构表现出复杂频率选择性响应。在低频率下，非交错编织的屏蔽效能是高于交错编织的。减少经线纤维和纬线纤维之间高度和纤维之间的间距可以增加屏蔽效能。今后的工作将涉及额外的织物组织结构如缎面和斜纹编织，建模与准确的电导率值而不是绝对的导体，碳纤维和碳纤维嵌入聚合物的研究。此外，在这项工作中，需要编织物的几何结构将在不同界面纤维作更精确的选择而不是使用矩形截面，需要精确建模的实际曲率而不只是编织的假设一个方形几何，如图5（c）。最后，在这项工作经线被假定为完美的直线，而在真正的CFRPC，他们可能遇到胀形，其中将也加以研究。认识这项工作是根据NIST项目资助，碳纳米复合材料制造：加工、特性、性能、，这就是致力于发展微波在线质量控制传感器的聚合物基纳米复合材料制造的大型项目。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