通知公告｜博士生答辩公告

含多孔介质复合结构在现代工业和工程应用中具有广泛用途，如真空干燥设备、电加热雾化系统等场景中。对于热导率低的多孔介质材料，特别是植物纤维构成的多孔介质复合结构，远离热源的区域难以有效加热，因此优化加热结构以改善温度场分布成为设计的关键。瞬态温度作为影响加热设备性能的重要参数，直接决定了设备的设计与优化。然而，针对小型设备中的多孔材料复合结构，实时测量温度存在困难，亟需一种有效方法来预测多孔介质复合结构的非稳态温度场。研究含多孔介质复合结构的传热行为不仅对提升设备性能至关重要，还对材料干燥、热管理、绝缘材料及高科技设备设计具有重要意义。基于此背景，本文以含多孔介质复合圆筒在不同热源条件下的温度分布为研究对象，构建了理论模型并结合实验验证其可靠性。在工作状态下的模型为含多孔介质的复合圆筒，主要考虑热源、结构尺寸、材料属性、气相可压缩性及材料含水吸湿性质等对传热行为的影响；在储存状态下的模型为湿热环境下植物纤维增强多孔复合圆筒，更关注湿热环境下的湿热耦合行为，探讨了边界条件、纤维聚集、孔隙率和结构尺寸等因素对复合圆筒湿热响应的影响。本文的主要研究和创新工作包括：

(1) 建立了多孔介质复合圆筒的传热模型，设计并搭建了用于非稳态温度测量的实验平台，简化了理论模型并验证了其预测结果的可靠性。结合理论模型与实验数据，预测了复合圆筒在不同类型热源加热下的瞬态温度分布。基于局部热平衡假设与等效导热系数假设，简化了多层多孔介质的传热过程，采用傅里叶定律建立了复合圆筒的能量控制方程，并通过分离变量法与积分变换法求解，预测了复合圆筒的瞬态温度分布。结果表明，在使用中心热源加热复合圆筒时，低热导率材料难以实现均匀升温，导致内外温差显著。通过提高多孔介质的等效导热系数或优化加热结构，可以有效改善温度分布；采用环绕与集中热源的组合加热方式，更有利于实现对复合圆筒的温度控制。此外，降低孔隙率或增加高导热材料的体积分数，有助于提高固体层的整体温度并使温度分布更加均匀；增大多孔介质层的尺寸则会增加温度丰富度，即增大内外温差。

(2) 开发了含压缩流体的多孔介质复合圆筒的非稳态传热模型，结合实验揭示了高温条件下流体可压缩性对大孔隙率及低流速条件下多孔介质复合圆筒温度场分布的影响。基于Darcy-Brinkman-Forchheimer方程，建立了描述压缩流体在多孔介质中扩散过程的动量方程，根据局部热平衡假设，构建了相应的能量方程，并通过有限体积法求解模型。设计了温度测量实验，以提供边界条件数据并验证模型的准确性。研究表明，与考虑压缩流体影响的模型相比，忽略压缩效应的模型在预测温度值时存在较明显的偏差，且这种温度偏差随着加热温度的升高而逐渐增大。此外，随着多孔介质层固相导热系数的增加，该层的温度下降速率相应减缓；多孔介质层尺寸的增大会加剧复合圆筒内的温度差异。

(3) 提出了一种考虑纤维聚集对孔隙形成影响的植物纤维增强复合材料圆筒的湿热耦合模型，探讨了天然纤维聚集、基体成分和孔隙率之间的相互关系，并揭示了环境因素对NFRTCs湿热耦合场的影响。基于Luikov方程，构建了湿热环境下植物纤维增强复合材料圆筒(Natural Fiber-Reinforced Tubular Composites, NFRTCs)的湿热控制方程，并采用微分求积法(Differential Quadrature Method, DQM)预测了圆筒结构的瞬态湿热场及其分布特性。通过与实验数据进行对比，验证了该模型的预测精度。利用此模型，系统分析了湿热耦合边界条件、纤维聚集、孔隙率及结构尺寸对湿热响应和分布的影响。研究结果表明，使用湿热耦合或湿热对流边界条件时，温度场和湿度场显著降低。此外，随着纤维重量分数、外径比和孔隙系数的增加，湿热场的分布逐渐减弱，特别是在纤维聚集参数较小时，这种趋势尤为明显。

(4) 建立了一种含水吸湿多孔介质复合圆筒非稳态传热传质模型，明确了气相可压缩性、含水吸湿属性及蒸发冷凝效应对复合圆筒非稳态温度场的影响。基于Darcy定律、Darcy- Brinkman- Forchheimer方程、局部非热平衡模型及结合水的临界饱和度，构建了含水吸湿多孔介质复合圆筒的传热传质控制方程。结合实验对复合圆筒温度场进行了预测和验证，并运用统计学分析方法揭示了材料参数对复合圆筒非稳态温度场的影响规律。研究表明，靠近热源的多孔介质层其导热系数对温度分布影响最大，孔隙率也具有显著影响；饱和度对温度的影响呈现非线性特征，且外层多孔介质的饱和度影响更为显著。综合材料参数的敏感度分析显示，热源附近的多孔介质层的导热系数对温度场影响最为显著。

本文通过理论推导、数值模拟和实验验证，系统研究了多孔多层复合圆筒及植物纤维增强复合材料圆筒在非稳态条件下的传热传质行为。探讨了材料属性、几何结构、初始条件和边界条件等多种因素对复合圆筒内温度和湿度分布的影响。通过分析湿热耦合及流体压缩性等效应，揭示了含多孔介质复合圆筒的传热传质机制。本研究为含多孔介质复合材料及结构的热质传递行为提供了重要的理论依据和方法支持，尤其在湿热耦合、含湿特性及压缩流体交互等领域具有显著的参考价值。研究成果不仅加深了对多孔复合材料传热传质过程的理解，还为加热设备及多孔介质受热结构的设计优化、热管理方案的实施提供了理论指导。在加热不燃烧设备的优化设计中，研究成果已成功应用，显示了突出的工程实用价值。

针对SLM钛合金成形成性过程中跨尺度耦合机理不清晰，工艺-结构-性能指标匹配困难的重大挑战，迫切需要完善相关理论和方法，系统性地阐明激光工艺参数、微观组织演化、残余应力/变形、过程信号及力学性能的跨尺度耦合机制。论文首先综合考虑多组元合金在熔池内的组分扩散特性，建立以钛合金为代表的多组元合金在热力驱动下的晶粒生长及转化动力学模型；基于此，分别提出热-组织-力耦合下钛合金变形及超声波传播特性的分析模型；构建SLM钛合金激光工艺-缺陷-性能的直接预测框架，并开展钛合金点阵夹层结构多构型设计及应用，解决SLM钛合金跨尺度耦合机理及形性协同的关键科学问题。本文的主要研究内容可概括如下：

1. SLM钛合金微观组织形成及转化机制。

阐明SLM钛合金熔池温度梯度、孔隙率、形核密度、组分过冷及合金组分浓度随激光工艺参数的变化机制，建立SLM钛合金微观组织演化模型；考虑材料热物性的温度依赖性，建立双椭球热源作用下SLM钛合金温度场历史及分布的预测模型；研究多组元合金凝固冷却过程中凝固前沿生长及元素耦合扩散机制，提出材料枝晶生长动力学模型及稳定性判定方法，结合枝晶尖端影响半径，构建SLM钛合金柱状晶-等轴晶体积分数预测模型；阐明SLM多组元合金成形过程中元素浓度扩散及柱状晶-等轴晶转化机制，揭示关键激光工艺参数、热源几何及结构尺寸对SLM钛合金熔池热特性、组元扩散及柱状晶-等轴晶转化的影响规律。

2. SLM钛合金微观组织与宏观残余应力演化的耦合行为

考虑材料分布、孔隙缺陷及成分掺杂的影响，研究孔隙及陶瓷增强颗粒对钛合金材料性质的作用，建立宏观等效计算模型；考虑微观组织演化对结构成形中热力响应机制的作用，提出SLM钛合金熔化-凝固过程中热应变、弹性应变及体积应变的解析方法，建立热-组织-力跨尺度本构模型；基于此，建立热-组织-力耦合作用下SLM钛合金温度场、残余应力场及变形场的数值计算模型；探明钛合金成形过程中温度场历史、固态相变与残余应力场/翘曲形变的相互作用机制，揭示激光能量密度、基底预热温度、材料分布及增强颗粒特性等关键工艺变量对SLM钛合金残余应力演化及分布的影响规律。

3. SLM钛合金微观组织及超声波传播特性的耦合行为

基于SLM激光-材料作用机制，研究激光超声波在结构内的传播分布特性；阐明SLM钛合金成形过程中温度场、微观组织场及残余应力场演化对激光超声波传播特性的关联机制，提出热-组织-力耦合下激光超声波传播控制方程的哈密顿解析方法，建立SLM钛合金激光超声波传播解析模型；研究SLM钛合金成形过程中温度场及固态相变对激光超声波传播特性的作用机制，阐明激光能量密度、基底预热温度、环境温度及粉床层厚等工艺参数对激光超声波传播速度及频率的影响规律。

4. SLM钛合金微观缺陷生成与力学性能的关联机制

研究SLM钛合金熔化-凝固过程中的能量吸收与耗散行为，建立激光能量、粉床反射、粉末熔化、蒸发、传导、对流及辐射等物理现象的能量守恒方程；探明激光能量吸收及耗散率对材料未熔孔隙率的影响，构建SLM钛合金激光工艺-过程缺陷-弹性性能的直接数学关系式；在此基础上，基于力-热能量密度等效方法，研究成形钛合金屈服强度/极限抗拉强度与弹性应变密度的内在关系，建立SLM钛合金工艺-缺陷-性能的解析预测模型；揭示激光工艺参数、热源参数及材料特性等对SLM钛合金成形后的屈服强度及极限抗拉强度的作用机制。

5. SLM钛合金点阵夹层结构设计及力学性能

基于点阵芯体等效均匀化方法，研究压缩载荷作用下多构型点阵夹层结构的高阶剪切变形理论；提出点阵芯体节点及桁架位移的等效转换方法，建立外界载荷作用下多构型点阵夹层结构的内应力解析模型；结合所探明的SLM钛合金工艺-变形-性能耦合关系，开展钛合金点阵夹层结构形性一体化制造和准静态单向压缩试验，阐明结构受压变形行为及失效机制。