树脂基碳纤维复合材料的热物理性能之一_导热系数 1987.pdf

1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 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 rights reserved 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 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 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 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 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 中国空间 科学技 术 年月 强度不同的碳纤维复合材料 只要碳纤维是同类型 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 单向复合材料 土方向 平均热导 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 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 reserve