[发明专利]基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法

说明书

基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法。目前缺少碳纤维复合材料的辐射特性计算方法的问题。本发明使用FDTD Solution软件对材料模型进行模拟仿真，通过软件模拟出碳纤维及其复合材料的结构，得到的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的多组参数数据；采用时域有限差分法，模拟计算，吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子来得出吸收散射能量占入射能量的比例，从而计算出碳纤维的辐射特性；在通过对这些分析，得到碳纤维复合材料的结构对其辐射特性的影响。通过热辐射特性的理论计算，更好的分析各影响因素对其辐射特性的影响，根据理论对碳纤维及其复合材料的结构作出进一步的改善，使其在热防护中有更好地应用。

技术领域

本发明涉及一种基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法。

背景技术

从我们日常生活中的太阳照射、工业生产中的热处理工艺、火灾爆炸现场的高温火焰，到高速飞行器飞行时与空气摩擦产生的大量热。这些热源释放出的巨大的热能都可能造成安全事故。热防护在避免产生由热造成的安全事故中扮演了必不可缺的角色对于高温作业场所，若不采取相应的热防护措施，可能会引发作业人员患有热射病、热衰竭等疾病，对其身体健康造成巨大的影响。对于高速飞行器来说，采取热防护措施可以避免恶劣的热环境对其的伤害，提高其飞行时的安全性和可靠性，避免发生由热引起的解体事故。由于碳纤维具有耐热性能好、抗腐蚀能力强等多种的优良性能，使其在飞行器的防热层中担当着重要的角色。

碳纤维是有机纤维通过高温分解与碳化形成的，一系列的变化使得材料中的碳含量达到90％以上。其结构主要是由石墨组成的。碳纤维除了单独可以使用外，其优良的特性使其同样可以作为复合材料的中的增强相。根据所需材料的功能不同，碳纤维可以与其他材料形成碳纤维复合材料。由于复合材料基底的不同，碳纤维复合材料主要分为4种：碳纤维/树脂基复合材料、碳纤维/碳复合材料、碳纤维/陶瓷基复合材料还有碳纤维/金属基复合材料。碳纤维复合材料也都具有良好的耐热性能、抗腐蚀、强度高等有点。这些优点使得碳纤维及碳纤维复合材料在航天器的热防护方面有很大的应用。以c/c复合材料为例，他被应用在航天器、高速飞行器的防热系统中，降低这种恶劣的高温环境对飞行器本身造成的危害，避免发生安全事故，为其能够完成飞行任务提供了一份安全保障。

我们通过热辐射特性的理论计算,对碳纤维的辐射特性做更近一步的研究,分析各影响因素对其辐射特性的影响,使用数值模拟的方法对碳纤维及其复合材料的结构提供进一步的改善方案，使其在热防护中有更好地应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前缺少碳纤维复合材料的辐射特性计算方法的问题，而提出一种基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法。

一种基于FDTD的碳纤维复合材料辐射特性数值模拟方法，所述的方法通过以下步骤实现：

步骤一、使用FDTD Solution软件对材料模型进行模拟仿真，通过软件模拟出碳纤维及其复合材料的结构；

步骤二、设定仿真区域并得到不同光波长度下的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的参数；

步骤三、整理得到的吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子的多组参数数据，并将多组数据进行对比，通过观察曲线的趋势分析各因素对碳纤维及其复合材料辐射特性的影响；

步骤四、采用时域有限差分法，模拟计算，吸收截面、散射截面、吸收因子、散射因子来得出吸收散射能量占入射能量的比例，从而计算出碳纤维的辐射特性；

步骤五、在通过对这些分析，得到碳纤维复合材料的结构对其辐射特性的影响；

步骤六、通过碳纤维的疏密程度对辐射特性的影响、基底对碳纤维复合材料的辐射特性影响、三维乱序结构排布对碳纤维辐射特性的影响、碳纳米管对碳纤维辐射特性的影响，进行碳纤维及其复合材料的热防护性能改善。

本发明的有益效果为：