Разработка методов прогнозирования теплофизических свойств композиционных материалов с периодической макроструктурой

рамках проекта No21-79-00047 выполнены комплексные исследования теплофизических и структурных свойств композиционных материалов с периодической макроструктурой. Особое внимание уделялось изучению свойств пористых сред, состоящих из упорядоченных ячеек с топологией трижды периодических минимальных поверхностей (TPMS-материалы). Геометрическая структура TPMS-материалов может быть описана строгими математическими зависимостями, включающими параметры периодичности, масштаба. Варьируя эти параметры, можно получать материалы с заданными тепловыми характеристиками. Программа НИР включала выполнение теоретических (аналитических и численных) и экспериментальных исследований свойств таких материалов. В результате выполнения НИР были получены следующие основные научные результаты: 1) На основе численного моделирования процессов тепломассопереноса в программных комплексах конечно- элементного анализа разработана методика определения теплофизических свойств пористых материалов с упорядоченной структурой. Определены геометрические характеристики элементарных ячеек нескольких типов, в том числе неизвестных ранее, оказывающие наибольшее влияние на их тепловые свойства. Например, на основе аппроксимации результатов вычислительных экспериментов получены зависимости коэффициентов теплопроводности от размера и толщины стенки элементарной ячейки. Полученные зависимости могут быть использованы для определения теплофизических свойств пористых сред с матрицей на основе произвольных материалов с заранее известными свойствами. 2) Используя данные натурного и вычислительного экспериментов, разработаны математические модели теплопроводности в телах простой геометрической формы, а также приближенно-аналитические методы решения краевых задач тепломассопереноса. При разработке математических моделей были использованы выражения для определения коэффициентов температуропроводности, полученные с учетом структурных особенностей пористых сред. В частности, установлены зависимости пористости от толщины и размера элементарных ячеек, плотности от пористости и др. 3) Разработана лабораторная установка для определения теплофизических свойств пористых сред, позволяющая определять теплопроводность материалов в условиях вакуума - без учета конвективной составляющей переноса тепла. Помимо лабораторной установки разработан и зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности программный алгоритм обработки данных с удобным пользовательским интерфейсом. Используя разработанный программный продукт можно с высокой точностью определять теплопроводность пористых теплоизоляционных материалов, в том числе из термопластичных полимеров. Разработанные в рамках НИР подходы позволяют проектировать пористые материалы с требуемыми теплофизическими свойствами. При этом необходимо определиться с типом элементарных ячеек, массогабаритными характеристиками и материалом матрицы. Прогнозирование теплофизических свойств в этом случае осуществляется с использованием полученных в работе аналитических зависимостей (формул). Важно отметить, что несмотря на активное развитие аддитивных технологий, в частности трехмерной печати, основным критерием выбора структуры пористого материала является возможность его изготовления.