树脂基碳纤维复合材料的热物理性能之一_导热系数 1987.pdf

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1、 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/年月第期中国 空间科学 技 术树脂基碳纤维复合材料的热物理性能之一一一导热系数张建可兰州物理研究所木文汁论了树脂基碳纤维复合材抖热导与各种纤 维体积含量,及温度的关 系,研究了树脂基破纤维复合材料的传热机理,并给出了 大量 的导热系数数据。主 题词碳纤维增强复合材料,传热 系数,导热性。一、引言日益发展的复合材料已成为宇航领域中应用广泛且不可缺少的新型材料,其 中应用较广泛的是树脂基碳纤维复合材料。由于这些材料大都被采用

2、制做航天器上的抛物面天线反射器、天线支撑、喇叭天线、波导管、帆板等等,其热物理性能的好坏直接影响了构件的性能。例如的热导性能好坏,将影响支撑部件、连结部件的性能及自身的稳定性。的热胀冷缩 将影 响 它构成 的抛物面天线反射器、波导等变形,对电磁波的反射、接收等产 生较大影响。因此,研究的热物理性能,有较重要的意义。本文讨论它的热物理性能之一导热系数,并给出各种碳纤维复合材料为导热系数,以供参考。二、树脂基碳纤维复合材料的结构树脂基碳纤维复合材料主要由两 大部份组成 碳纤维和树脂基体。碳纤维主要由高分子材料如粘胶纤维、聚丙烯晴纤 维、沥青纤维等经高温烧制而成,按强度和模量分 成四种类型,即通用型

3、型拉伸模量在。沪“以下,高强型互型拉伸强度在又护以上,高模型型拉伸模量在义日以上和超高模型拉伸模量 在“以上。树脂基体主要采用 环氧树脂和聚酞亚胺树脂。碳纤维 复合材料的制做过程一般为,先将碳纤维在树脂 中预 浸后,按一定方式铺层,再经过加温、加压、固化等工序成形。简单层板,即单向纤 维复合材料是复合材料构件的基本结构单元。复合材料一般可看作是简单层板的组合体,其排 布示意见丫蛇。供县一已食忿层户”厂了公卜名。铲那。书晨图树脂基碳纤维复合材料的纤维排布示意图 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rig

4、hts reserved.http:/中国空间科,学技 术年月图。如何确定纤维和树脂的比例、纤维层数和排布方向、顺序,进行最佳设计,对于选择碳纤维复合材料的各种物理性能起着重 要作用。三、传热机理碳纤维复合材料的传热途径,主要分两个部分。固相导热主要由材料 中的碳纤 维和环氧树脂基体产生热传导。由于 这部分热传导 中,碳的热导率约为数量级以上,而树脂约为数量级左右在“温区内,因此在、温区内碳纤维在整个复合材 料中的体积比对整个复合材料的热传导起着重要的作用。气相传热由于材料制造过程中形成一些 气孔,这些气孔 内的气体分 子相互碰撞所产生的传热。这些气孔较多、较大时,对材料的热传导有一定的影 响

5、,但由于一般说来这些材料中的气孔很小,且很少,所以可以忽略其对整个复合材料的热传导系数的影响。等人研究了不同碳纤维体积含量的碳纤维复合材料的导热系数。对于 热流平行于纤维方向的总热导应与碳纤维、树脂基体两部份的热导总和相等。即碳纤维复合材料的热导应为了,一,。,分别为碳纤维、树脂的热导。,为碳纤维的体积含量。图为他们 的测试值和计算值。川 手 刚雄也研究了碳纤维复合材料平均热导率与碳纤维体积含量的关 系,其测试结果见图,并推出相类似的公丸不命虱 卜赢,其 中系,虱分别为碳纤 维、树脂基体的平均热导率,是碳纤维体积的百分含量。在、温区内,了与的忽。只。只二、“拼卜铸薰帅河除卜一钾一,一一丫一刊一

6、,卫全厂一一一一飞一昌是汗翻喊摇舜立碳纤维体积含量图碳纤维体积含量与平均导热系数的关系曲线一几份八自温蹂图不 同碳纤维体积含量的热导数据普通型,于飞,高拉伸强度 型。,高模量 型,实线为计算值 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/年月中国空间科学技术依存性消失了,这主要是由于碳纤维的半导体特性引起瓜变小,虱也变小了。在温区内与的依存性很强,这充分说 明了碳纤 维在这温 区内对整个复合材料的热导起着重要的作用。等人还研究了碳纤 维体积含相同,结果见图。他们推出

7、了一个公式对,但纤维类型不 同的复合材料低温热导率,这里导热系致加一万一州一,二,一兀,碳纤维体积含量基体树脂热导 率,纤维热导率所研究的碳纤维复合材料是有限公司生产的基碳纤维复合材料,普通用途型,高拉伸强度型,高模量型。考虑到复合材料中的碳纤维是各向异性的,提出了碳纤维复合材料垂直于纤维方 向和平 行于纤维方向的导热系数比值,这个比值约为。用这个 比值和公式 计算的结果见图中的三条实线,它们在以上,基本与实验测得结果相符。这三种纤维的体积含量相同均为。图中看出,三者导热系数相差不大,因此,可 以说很度图相同碳纤维体积含量的导热系数,。实线是用跳公式和二比值计算的值模量不 同的碳纤维复合材料,

8、只要成份,碳纤维体积含量相 同或相近,其导热系数一般相差不大。四、热导数据由于碳纤维复合材料的纤维、树脂基体不同、排布迭层不同,因而热导数据也不 同。表给出各厂商生产的碳纤维复合材料的热导数据。图是各种树脂基碳纤 维复合材料的导热系数与温度关系曲线。五、结论树脂基碳纤 维复合材料的导热系数在 中温区、,随着碳纤维体积含量的增加而增大在以下,变化较小,在极低温区变化 消失。1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/中国空间 科学技 术年月强度不同的碳纤维复合材料,只

9、要碳纤维是同类型、同排布、同体积含量,则 导热系数相差不大。平行于纤维排布方向的导热系数一般要大于垂直于纤维排布方向的导热系数。表树脂基碳纤维复合材料热导教据表序号厂商复合材料结构、名称蒸城鉴署勘祥叭二丫渡署有 攀绍杨飞一撇导羲骊了习叮卜、月夕勺,刊一犬护苍卉,一、”,卜、卜 竺星竺 二 竺匕们四全二,二生些引 耀霆盘逻星置笠 犷。、。数据一二拍二。石入。八,阮创掀匀于一刊。“上方向。高弹性率碳纤维方向上方向平均热导平均热导。一一一。,。,纤维一纤维一。长一一。纤维一。长一一。纤维一。一一沙。土。一。纤维、环氧刀方向平均热导。纤维一。丘一一,方向。、和丈数据单向复合材料刀方向平均热导。单向复合

10、材料土方向平均热导。1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/了年月中国 空间科学技术,一一一一一一一一一一一一一一二三一一一一一一一一一一一一一一一一一一帐口导热系数加一乡之一心。尸翔翔斌渡冷君玲,卜尸卜仁护尸刁树脂树脂一一一一一。一矛 丈温皮范国一户。心工一、一韶七山湿度下钾侧蹋,工导热系数碳纤维树脂陇州滩。士“心口、漂乡,准各向同性多乡一一土“。八孟一才厂。、止环气树脂少留日登沙恕暖买介二占下盆一漏认厂一一澡度图各种树脂基碳纤维复合材料的导热系数与温度关系曲线 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/中国空间科学技术年月参考文献航空材料学,北京航空材料研究所编,页一页复合材料设计手册,航空工业部科技情报研究所。页川手刚雄等低温材料。研究,断热支持材料。热的,机械的特性“页一页新卜,工业材料科学东京金原出版株式会社,页。石奚同庚编著,无机材料热物性学页一页。日一一习,。边,。亡,。,。一斑日孟里,盆,。琴 一一一。少,