Ny metode ser fibre i 3-D, bruger det til at estimere ledningsevne

Når et køretøj rejser gennem rummet med hypersoniske hastigheder, gasserne omkring det genererer varme ved farlige temperaturer for piloten og instrumenteringen indeni. At designe et køretøj, der kan drive varmen væk, kræver en forståelse af de termiske egenskaber af de materialer, der bruges til at konstruere det. Et nyligt todelt studie ved University of Illinois Urbana-Champaign udviklede en metode til at skabe 3D-modeller af fibrene i kompositmaterialer og brugte derefter denne information til at forudsige materialets termiske ledningsevne.

"Vi brugte røntgenmikrotomografi til at lave 3-D-billeder, der viser fibrernes orientering, sagde Francesco Panerai, et fakultetsmedlem i Institut for Luftfartsteknik ved UIUC. "I de fleste tekniske applikationer bruger vi kompositmaterialer lavet med kulfibre, men den metode, vi udviklede, kan anvendes på enhver form for fiber og enhver form for komposit."

Panerai sagde, at mikrotomografi ligner at få en CT-scanning på hospitalet, men med højenergi røntgenstråler, der kan detektere fine detaljer i mikrofibre, som er en brøkdel af diameteren af ​​et enkelt menneskehår.

"Billederne, der viser, hvordan fibrene er organiseret, er meget mere end bare smukke billeder - de er en beskrivelse af materialet i et tredimensionelt gitter. Nu kan vi bruge dataene fra 3D-gitteret til at lave simuleringer til at beregne materialeegenskaber som du ellers skulle lave komplicerede eksperimenter for, "Sagde Panerai.

I første del af undersøgelsen, Panerai og hans kolleger testede tre forskellige metoder til at visualisere fibrene. "Vi fandt ud af, at fordi forskellige materialer består af forskellige arkitekturer, visse metoder fungerede bedre med nogle fibre og vævninger end med andre."

For eksempel, undersøgelsen konkluderede, at den allestedsnærværende struktur tensor tilgang viste meget god ydeevne på straight, tilfældige fibre, men formåede ikke nøjagtigt at estimere orienteringen af ​​en to-retning tætpakket vævning.

En anden metode baseret på den kunstige flux viste relativt god ydeevne på to-retningsvævede prøver, men det fejlede på lige tilfældige fibre.

Den nye strålestøbemetode viste løfte om at blive en kraftfuld tilgang til at estimere orienteringen af ​​fibrøse materialer med lille krumning. Men, dens største ulempe er de høje beregningsomkostninger.

"Nu hvor vi kan følge fibrenes retning i rummet og bestemme mellemrummet mellem dem, vi kan beregne materialets egenskab, i dette tilfælde dens varmeledningsevne, i tre dimensioner og har meget nøjagtige værdier.

"Og, at måle ledningsevne eksperimentelt, du skal lave tre eksperimenter, en for hver retning. Ved at bruge denne nye metode, vi kan beregne tensoren og forudsige egenskaber i de tre retninger langt hurtigere og mere omkostningseffektivt."

Panerai sagde, at denne nye metode til at visualisere fibre og den beviste evne til at bestemme materialeegenskaber kan hjælpe med at omkonstruere materialer.

"Vi kan bruge en meget specifik fiberarkitektur til at opnå en bestemt egenskab såsom styrke eller ledningsevne, " sagde han. "Vermeledningsevne er noget, som alle, der arbejder på materialer med høj temperatur, forsøger at vurdere. Det virker som en meget simpel ejendom, men det er meget svært at måle, især for materialer, der er tredimensionelle. Det er det bemærkelsesværdige ved denne metodes kraft."

Frederico Semeraro, hovedforfatter af undersøgelsen ved NASA Ames Research Center, sagde, "Beregning af den termiske ledningsevne er afgørende for pålideligt at forudsige et varmeskjoldrespons. Derudover, den metodologi og de numeriske metoder, der er blevet udviklet, er fleksible nok til at tillade beregning af mange materialeegenskaber. En omfattende forståelse af et varmeskærms adfærd vil i sidste ende muliggøre optimering af dets design. "

Første del af forskningen, "Anisotropisk analyse af fibrøse og vævede materialer del 1:Estimering af lokal orientering, " blev skrevet af Federico Semeraro, Joseph C. Ferguson, Francesco Panerai, Robert J. King, og Nagi N. Mansour. Det vises i Computational Materials Science .

Anden del af undersøgelsen, "Anisotropisk analyse af fibrøse og vævede materialer, del 2:Beregning af effektiv ledningsevne, " blev skrevet af Federico Semeraro, Joseph C. Ferguson, Marcos Acin, Francesco Panerai, og Nagi N. Mansour og er udgivet i Computational Materials Science .