1987
年a月
第3期中国空
间科学技术
CIESESPACESCIECEADT
ECLOOGY
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(CFRF)
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:
CFRP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CFRP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C
FRF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(
A型)(拉
伸模量在23xl沪kg
c/m“
以下),
高强型(
互型)拉
伸强
度在28又1护
kg
/c
m以上)
高模型(
I型)
拉伸模量在
35义10日
kg
/e
mZ
以上)和
超高模型(
拉伸模
量在4X
10“
kg
/c
m’
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
;
{l
{了;
公
U卜
)
名铲那
书晨
图1
树脂基碳纤维
复合材
料的纤
维排布示意图
中国
空间
科学
技术
1987
年6月
图1
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1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10￡
数量级以上而
树脂
约为10’
数量级左
右(
在10o
K“4
0K温
区
内)因此在10OK、4
0K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2
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
DJR
ado
li
ffe
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:
K=了,Kr+
(1一
V,)K。
K,
K,
—分
别为碳纤维树脂的
热导V,
为碳纤维的
体积含量图2
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3,
并推出
相类似的
公
丸r=
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,x
是
碳纤维
体积的
百分含量(
%)在42
K、7
K
温区
内了与x
的
mw忽。只
3。
只二
、
…`“
a’.
拼20
卜
铸i
薰}
帅}
河}
除10
卜钾
一一
丫一}
刊
l!!
一30OK
11
ll
el全
厂
O
一一
一一飞r
一(昌是翻汗喊摇舜
020l
4060
V%
碳
纤维体
积含量
图3
碳纤维
体积含量与平均
导热系数
的
关系曲线1
n
温蹂K图2不同
碳纤
维体积含量的
热导数
据
A
(普通型)
V于=03飞
(x)
HT
(
高拉伸
强度型)Vf=。48《
)
HM(
高模量型)Vf=
051
()
实
线为计算值
1087
年6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
7K~
300
K温
区
内K与x
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
DJRa
dcli
ffe等人
还研究了
碳纤维
体积
含相同,
结果见图4
他们
推出了一
个公式(Ra
对iegh)
「_Z
V,
_
1但纤维
类型不同的
复合材料低温
热导
率,
这里导
热系致
W加K)
z一万
qU一F
K=
州`一,
+v,-
K二
+
K,
K,一
Kr
S=032兀`
V,
—碳纤维体积含量(
%)
K.
—基体树脂热导率
K,
—纤维热
导率
所研究的
碳纤维
复合材料是Cour
atluds
有限
公司
生产的PAN基
碳纤维复合材料A
—普通用途
型HT
—高拉伸强
度型H
M—高模量型考
虑到复合材料中的
碳纤维是各向异
性的Ra
dcli
f
fe
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K/,/K:
这个比
值约
为
10用
这个比
值和Ra
ylei
gh
公式计算的
结果见图
4
中的三
条实线,它
们在10K
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050
图
中看出三
者导
热系
数相差不
大因此可以说{
很度K
图4相同
碳纤维
体积含量的导
热系数
V,
=o50
实线
是用R跳yl
ei
gh公式
和K;//K
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
1给出
各厂
商生
产的
碳纤维
复合材料的
热导数据
图5
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
1
树脂基碳纤维
复
合材
料的导
热系
数在中
温区1
0K、40o
K
随着碳纤维
体积
含量的增
加而
增大;
在10K以下
变化较小在极低温区
变化消失