论文摘要：微纳米多孔隔热材料的力学行为及失效机制研究

       多孔隔热材料的力学性能直接决定了材料的多孔结构能否在使用过程中保持完整，从而也影响了材料的功能作用。而该类材料的力学行为和失效机制，很大程度上又是由其高度随机的多孔网络结构决定的。因此，本论文利用理论模型和多种数值方法相结合的方式，建立了一种预测微、纳米多孔隔热材料力学行为和失效机制的方法，并系统地研究了材料微、细观结构与宏观力学性能的关系。论文的主要内容如下：

（1）基于分子动力学（MD）、离散元方法（DEM）和颗粒接触理论，建立了适用于纳米多孔隔热材料的多尺度力学模型。利用该多尺度力学模型，系统地研究了纳米多孔隔热材料的力学行为以及失效机制，并利用文献结果验证了该多尺度力学模型。

（2）利用MD模拟，研究了无定形态氧化硅块体材料和纳米颗粒的性能，着重研究了氧化硅纳米颗粒间的相互作用机制。基于MD的模拟结果，建立了评估弹性纳米颗粒间法向接触刚度的近似理论模型，并同时考虑了表面效应的影响。最后，基于MD和近似理论研究结果，提出了描述纳米多孔隔热材料内部初级粒子间相互作用机制的理论模型，并在该模型中考虑了初级粒子间的缩聚反应。

（3）采用DLCA算法，利用DEM建立了多孔隔热材料的纳米颗粒团簇结构模型。基于初级粒子间相互作用模型和纳米颗粒团簇结构模型构成的多尺度模型，利用DEM预测了纳米多孔隔热材料的拉伸、压缩力学行为。利用数值模拟结果，研究了加载过程中纳米多孔隔热材料微观结构的演化规律，并结合配位数分析，确定了纳米多孔隔热材料在不同加载模式下的失效机制。此外，还基于所提出多尺度力学模型，研究了初级粒子尺寸对纳米多孔隔热材料的宏观力学性能以及幂律关系的影响规律。

（4）基于微米多孔隔热材料的实验观测，建立了能反映材料三维（3D）随机纤维网络结构的有限元模型。通过研究模型参数对计算结果的影响规律，确定了兼顾计算精度和效率的最优模型参数。接下来，利用该有限元模型预测了微米多孔隔热材料的力学行为和失效机制。着重分析了宏观载荷下材料的微观变形机制，以及材料细观结构特征对宏观力学行为的影响。此外，基于有限元模型结果，研究了纤维组分比和孔隙率对微米多孔隔热材料等效力学性能的影响规律。最终，本文通过对微米多孔隔热材料力学行为和失效机制的实验测试，验证了有限元模型的有效性。

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