文獻翻譯-碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料具有不同編織結(jié)構(gòu)的電磁特性的數(shù)值模擬

XX大學畢業(yè)設(shè)計文獻翻譯與原文題目： 碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料具有不同 編織結(jié)構(gòu)的電磁特性的數(shù)值模擬 學 院： 測試與光電工程學院專業(yè)名稱： 測控技術(shù)與儀器班級學號： 學生姓名： 指導教師： 二Oxx 年 四 月 碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料具有不同編織結(jié)構(gòu)的電磁特性的數(shù)值模擬A. M. Hassan, J.F. Douglas, and E.J. Garboczi 材料和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)劃分，國家標準和技術(shù)研究所，蓋瑟斯堡，MD 20899，美國材料科學和工程部，國家標準和技術(shù)研究所，蓋瑟斯堡，MD20899，美國摘要：碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料(CFRPC)由于其特殊的力學性能，在航空航天和汽車行業(yè)具有很好的前景。碳纖維通常編織和間垂直在束腰經(jīng)紗和緯紗中，形成碳纖維布可以嵌入到一個綁定矩陣中。經(jīng)紗和緯紗可以在不同的模式，稱為編織結(jié)構(gòu)隔行掃描。主要的編織結(jié)構(gòu)是平原，斜紋、和緞紋組織，形成不同的的綜合機械性能。這項工作的目標是計算和分析CFRPC微波的依賴性和太赫茲電磁特性編織結(jié)構(gòu)。由于其波長可比較主要編織的功能，這些通常成為無損評價(NDE)CFRPC的重要后備因素。三維全波電磁仿真的幾種不同的編織模型已使用有限元（FEM）執(zhí)行模擬器，能夠準確地模擬復(fù)雜編織結(jié)構(gòu)。計算實驗結(jié)果表明CFRPC從電磁波的反射取決于編織結(jié)構(gòu)的敏感問題。反射光譜計算在這項工作可以用于識別每個編織結(jié)構(gòu)的無損檢測的最優(yōu)頻率 .關(guān)鍵詞：碳纖維、斜紋、緞紋、平紋、太赫茲，微波，篩選、COMSOLPACS系統(tǒng): 81.05.Ni, 81.05.Lg, 81.05.uj, 81.70.-q, 81.70.Ex 介紹全球碳纖維市場正在迅速擴大，預(yù)計將幾乎翻一番，從美國2013年的18億美元，到美國2018年的30億美元1。碳纖維是石墨絲碳原子類結(jié)晶體，沿纖維軸對齊。通常情況下，碳纖維具有從10微米和5微米不等的直徑其中包含數(shù)以千計的碳纖維束。這些炭纖維束是通常編織和間里面摻垂直經(jīng)線和緯線，形成可以嵌入到碳纖維布結(jié)合聚合物形成碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料料（CFRPC）。編織結(jié)構(gòu)可以分為三個主要結(jié)構(gòu)稱為平原、斜紋、緞紋組織如圖1所示，以及許多其他的變化?？椢飵缀谓Y(jié)構(gòu)是使用TexGen開放源碼軟件生成的2。不同的編織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的力學性能。例如，一項由Rattan et al 開展的研究表明，平紋組織執(zhí)行最好跟著緞紋組織，然后斜紋的沖蝕磨蝕CFRPC采用浸漬技術(shù)制作進行研究3。本研究的目標是專注于CFRPC，以補充他們的機械的眾多研究的電磁(EM)性能屬性。 最近，纖維復(fù)合材料的電磁特性的數(shù)值模擬受到了越來越多的關(guān)注4-5 Mirotznik et al.用嚴格的耦合波(RCW)算法預(yù)測機織的玻璃纖維復(fù)合材料的頻率范圍從直流電磁性能達到50GHz4。RCW算法是能夠預(yù)測和解釋實驗檢測到的由玻璃纖維復(fù)合材料產(chǎn)生的模諧振。該模型的主要設(shè)想是在圖1中的地區(qū)在哪里經(jīng)緯重疊順序并不重要。也就是說，在圖1中，標記為x的經(jīng)線位于緯線的頂端，標記為y的緯線位于經(jīng)線的頂端4。因此，所有重疊區(qū)域進行了模擬與雙非重疊區(qū)域的厚度和介電屬性等于平均的個別的介電性能的經(jīng)線和緯線4。Wang et al.使用全波有限時域差分（FDTD）來研究CFRPC中寬帶從屬性直流頻率至2T赫茲5。然而，由Wang et al.制作的碳纖維模型被非隔行掃描5。在這項工作，類似Wang et al.CFRPC的全波仿真進行了研究種類繁多及其電磁性能研究頻率，但對隔行碳纖維進行了明確的模擬。此外，以準確的順序的經(jīng)線和緯線在重疊區(qū)域建模。從事這項工作的全波規(guī)劃求解是無線射頻模塊的商業(yè)有限元Comsol包6CFRPC編織與不同的幾何參數(shù)進行調(diào)查，闡明這些參數(shù)對電磁響應(yīng)的影響。電磁響應(yīng)的CFRPC在微波和太赫茲范圍是豐富的信息，因此，可以用在CFRPC的無損評價(NDE)。COMSOL模擬的驗證若要驗證此應(yīng)用程序模擬的精度，選擇一個測試用例的解析解和COMSOL結(jié)果進行比較。測試用例是無限長導體電線組成的數(shù)組。每個金屬絲的半徑、a比d線之間的距離小（a=0.01d）。激勵由平面波垂直于導線陣列組成。線陣列和勵磁的配置如圖2（a）所示。電線在一個方向無限長并反復(fù)周期性地，d在另一個方向的一步，采用周期性邊界條件（PBC)。周期性結(jié)構(gòu)可能導致在更高的頻率，除了在所有的頻段經(jīng)營的主導模式Floquet模式的出現(xiàn)4。Floquet模式將指定與指數(shù)m和占主導地位模式將對應(yīng)指數(shù)m=0。圖2(b)在圖2(a)從線陣列的反射系數(shù)顯示了不同的模式。反射數(shù)為橫坐標d/，其中為在自由空間中的入射波的波長。因此，參數(shù)d/是與入射平面波的頻率成正比的。某些商業(yè)設(shè)備或材料在本報告中必須確定以充分指明實驗的程序。在任何情況下，意味著推薦或認可由美國國家標準和技術(shù)認可的，但這也不意味著設(shè)備或使用的材料一定是對目的最好的。圖2（b）情況下,主導模式的反射系數(shù)的大小顯示為藍色（圓圈）。高階模態(tài)、m=1和m=-1，開始傳播 2時開始傳播。圖3c比較不同的高度，h，當h = 0時，緯線和經(jīng)線之間，緯度纖維和經(jīng)度纖維合并在同一平面上，如圖4所示。例h = d/2、d/4和0所示了固體藍、虛線的紅色和黑色點劃線，如圖3 (c)。隨著h高度的降低，反射的功率慢慢地收斂到的極限情況下的h = 0。DCFRPC的典型值為0.2毫米5。因此，在圖3（c）的頻率范圍對應(yīng)到0.75太赫茲到4.5的太赫茲，在當前商業(yè)太赫茲系統(tǒng)的操作范圍內(nèi)的頻率范圍8。此外，一旦碳纖維嵌入在聚合物中，圖3 (c)所示的特點，將發(fā)生在由因子相等于聚合物的折射率較低的頻率中。圖5（a）顯示了正視圖，圖5 (b)顯示了側(cè)面圖，而圖披露顯示COMSOL三個三維（3D）單元細胞排列的交錯的平紋編織碳纖維。在圖5中隔行掃描的情況下具有完全相同的尺寸圖3和圖4中非隔行掃描的情況。經(jīng)線纖維和緯線纖維之間的不同高度的影響，如圖6所示。與圖3 (c)比較圖6，很明顯是從非隔行掃描反射的功率和交錯編織的顯著差異。因此，編織物的幾何形狀精確需要的總的反射功率準確預(yù)測模擬。此外，圖6中反映的低頻率 d功率小于圖3（C）中反映的總反射功率。這可以由隔行掃描的差距區(qū)域可以被穿透這個事實來解釋，從而減少反射回源方向的力量。最后，由于經(jīng)線纖維和緯線纖維之間高度變小，當h=0時，總反映電力收斂緩慢的情況如圖4中所示?？梢酝ㄟ^減少纖維之間的間距增加纖維織物的松緊程度。圖7（a）顯示相同隔行平紋組織單位的單元格具有相同的碳纖維尺寸，但纖維降至0.15 d而不是在0.25 d的間距如圖5a?？偡从硰臏p少間距交錯的平紋組織的張力表現(xiàn)在圖7 (b)。如圖表7（b）所示，纖維編織的越緊，反射的功率越高，屏蔽功能越高。結(jié)論和今后的工作廣泛的計算實驗進行研究碳纖維織物不同的編織幾何圖形如何影響總的反射率。這些實驗的結(jié)果表明，在可以進行CFRPC無損檢測之前，需要知道不同編織物組織結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出復(fù)雜頻率選擇性響應(yīng)。在低頻率下，非交錯編織的屏蔽效能是高于交錯編織的。減少經(jīng)線纖維和緯線纖維之間高度和纖維之間的間距可以增加屏蔽效能。今后的工作將涉及額外的織物組織結(jié)構(gòu)如緞面和斜紋編織，建模與準確的電導率值而不是絕對的導體，碳纖維和碳纖維嵌入聚合物的研究。此外，在這項工作中，需要編織物的幾何結(jié)構(gòu)將在不同界面纖維作更精確的選擇而不是使用矩形截面，需要精確建模的實際曲率而不只是編織的假設(shè)一個方形幾何，如圖5（c）。最后，在這項工作經(jīng)線被假定為完美的直線，而在真正的CFRPC，他們可能遇到脹形，其中將也加以研究。認識這項工作是根據(jù)NIST項目資助，碳納米復(fù)合材料制造：加工、特性、性能、，這就是致力于發(fā)展微波在線質(zhì)量控制傳感器的聚合物基納米復(fù)合材料制造的大型項目。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