基于碳纖維復(fù)合材料熱性能的研究進(jìn)展綜述

龍巍，鄭學(xué)林，臧建彬

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306；2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

碳纖維復(fù)合材料(CFRC)是一種具有未來市場前景的新型復(fù)合材料，其擁有高強(qiáng)度、高韌性、高塑性和抗沖擊性等優(yōu)勢性能[1-5]。復(fù)合材料廣泛的應(yīng)用于航空工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等一些特殊高尖端領(lǐng)域外[5]，還可以應(yīng)用在汽車工業(yè)[6]、軌道交通工業(yè)以及文體器械中。例如在軌道交通工業(yè)中，為了使車輛輕量化，一般復(fù)合材料也使用在列車的車頭車身上[7-9]。由于碳纖維復(fù)合材料的可塑性好，根據(jù)需求的不同可將其制作成某些特定結(jié)構(gòu)[9]，以上是對于成品化的CFRC具有輕量化等特點的簡要描述。碳纖維復(fù)合材料可根據(jù)市場供需，經(jīng)過特殊的生產(chǎn)工藝，其中包括碳纖維的編織加工，然后再與某種基體結(jié)合在一起加工，形成復(fù)合材料，而3D碳纖維復(fù)合材料也可以加工成3D四向甚至更多向的編織復(fù)合材料[10]。因此，有必要對碳纖維復(fù)合材料在不同的結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能以及熱膨脹性能進(jìn)行預(yù)測及研究。

1 研究現(xiàn)狀

熱膨脹性能是一種熱-機(jī)械耦合的問題[11]。由于編織復(fù)合材料會因為其制造要求的問題產(chǎn)生不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其復(fù)雜程度則依靠所需性能應(yīng)用于領(lǐng)域。在編制工藝過程中，碳纖維編織復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)往往比單個碳纖維更為復(fù)雜，則需要開發(fā)更適應(yīng)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研究方法。Gou等[11]開發(fā)了一種多尺寸單元法來預(yù)測其有效熱膨脹系數(shù)，該方法是Gou在其文獻(xiàn)[10，12-14]中用來模擬熱傳導(dǎo)問題的。Dong等[15]則建立了一種雙尺度有限元模型，來研究此類情況。而Shabana等[16]、Dasgupta等[17]和Nasution等[18]都提出了采用均勻化方法對復(fù)合材料的熱機(jī)械性能進(jìn)行分析研究，則是對熱膨脹行為的熱-機(jī)械耦合的闡述。

復(fù)合材料的傳熱效應(yīng)會對其自身的一些熱機(jī)械性能造成影響，所以本文總結(jié)了復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的相關(guān)研究。其中一些學(xué)者[19-26]進(jìn)行大量的實驗以及數(shù)值模擬研究了碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)熱性能。在數(shù)值模擬上，Jiang等[27]基于文獻(xiàn)[28]開發(fā)出了一種螺旋幾何形狀的模型。Fang等[29]采用格子Boltzmann模型來對具有非均質(zhì)的復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行研究。而實驗部分，Dong等[19-21]則通過實驗來測定已知復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，將實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出誤差范圍值。

本文介紹各種編織結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和熱膨脹性能，對學(xué)者在這些方面的實驗方法以及數(shù)值模擬模型進(jìn)行總結(jié)，對比分析各種編織結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料與導(dǎo)熱性能和熱膨脹性能之間的關(guān)系，然后對影響其導(dǎo)熱性能與熱膨脹性能的因素進(jìn)行探討，分析得出某些碳纖維復(fù)合材料的編織結(jié)構(gòu)偏向有益于導(dǎo)熱性能與熱膨脹性能的方向發(fā)展。最后，將對各種編織結(jié)構(gòu)CFRC的潛在應(yīng)用和未來發(fā)展前景進(jìn)行闡述。

2 研究方法

本文將對碳纖維復(fù)合材料的研究分為兩大部分展開分析敘述，即實驗部分與數(shù)值模擬的研究方法部分。

2.1 實驗

2.1.1 導(dǎo)熱系數(shù)的實驗測定 導(dǎo)熱系數(shù)實驗室測定是基于傅里葉熱傳導(dǎo)定律，實驗測定熱導(dǎo)率的有兩種方法，即穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。相比于穩(wěn)態(tài)法，瞬態(tài)法大大縮短了實驗測量所需的時間。Dong等[19-21]進(jìn)行編織復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)測定的實驗，根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)搭建實驗臺，然后測定編織復(fù)合材料的軸向和橫向的熱導(dǎo)率，再將實驗數(shù)據(jù)整理進(jìn)行圖表可視化，可呈現(xiàn)出復(fù)合材料傳熱各向具有差異性的特征。通過對文獻(xiàn)[12，19-21]所進(jìn)行的實驗內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，將其所研究的碳纖維和樹脂材料的熱物性參數(shù)見表1。

對于沿軸向方向的熱傳導(dǎo)計算，采用瞬態(tài)熱線法[30-31]：

(1)

沿橫向方向計算，則是使用瞬態(tài)平面源法[32]：

(2)

(3)

(4)

其中，d1和d3是指兩相鄰熱電偶之間的距離，d2和d4是不同材料之間的距離，dgr是導(dǎo)熱硅脂的厚度，ΔTij(i=1，2，3；j=2，3，4)是指兩相鄰熱電偶之間的溫度差。

表1 室溫(25 ℃)下的碳纖維和環(huán)氧樹脂的熱物性參數(shù)Table 1 Thermal properties of carbon fiber and epoxy resin at room temperature

2.1.2 熱膨脹系數(shù)(CTE)的實驗測定 由于復(fù)合材料中碳纖維內(nèi)部編織結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜化，于此同時參與固化的基體材料由于其自身因素也會對復(fù)合材料的整體熱膨脹性有影響。熱膨脹系數(shù)的測定方法有示差法、雙線法以及光干涉法等，Dong等[15，33]通過示差法實驗測量編織復(fù)合材料在軸向和橫向方向的熱膨脹系數(shù)。根據(jù)實驗所測的數(shù)據(jù)，可由以下公式得出相關(guān)值。

瞬間CTEα等式定義：

(5)

K=ΔLref-αrefLref(T2-T1)

(6)

其中，溫度T2下樣品長度L和溫度T1下的樣品長度L0(ΔL=L-L0)，K為系統(tǒng)補(bǔ)償值(以下均參考石英樣品)，ΔLref是在溫度T2下的樣品線性長度改變率，Lref是在溫度T1下的長度大小，αref是熱膨脹系數(shù)。

2.2 數(shù)值模擬方法

諸多文獻(xiàn)已經(jīng)采用不同的研究方法建立了不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的幾何模型來盡可能呈現(xiàn)出符合實際復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，本文總結(jié)了編織復(fù)合材料的四種研究方法來進(jìn)行闡述。有限元法是使用次數(shù)較多的數(shù)值計算方法之一，文獻(xiàn)[12，14，16，19-21，26-27，33-40]則對有限元法進(jìn)行了應(yīng)用，在有限元法的基礎(chǔ)上進(jìn)行更多深層次的拓展研究，與其他方法相比還是較為完善。文獻(xiàn)[29，41-43]闡述的格子Boltzmann法是善于處理一些傳統(tǒng)的流體流動的方法，該方法較于有限元法來說，能夠彌補(bǔ)其在熱接觸面處研究功能的短缺。文獻(xiàn)[10-11，13]和文獻(xiàn)[44]兩者則是對單元法和激光閃射法的應(yīng)用，由于兩種方法其應(yīng)用對象受到了自身使用條件的限制，使得這些模擬方法使用次數(shù)比較少，但如果能夠結(jié)合其他方法一起使用，可以避免其使用條件的限制，與此同時，也急需要開發(fā)一些新的研究方法，然后進(jìn)行深入研究。表2是整理的數(shù)值模擬方法之間的對比。

表2 數(shù)值模擬方法之間的對比Table 2 Comparison between numerical simulation methods

3 碳纖維復(fù)合材料有效熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)的影響因素

3.1 影響復(fù)合材料有效熱導(dǎo)率(CTC)的因素

導(dǎo)熱行為是材料傳導(dǎo)熱量能力的表征形式，材料的導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱決定著材料適用于哪種用途。關(guān)于文中所研究的碳纖維復(fù)合材料，其生產(chǎn)過程有著對其編織結(jié)構(gòu)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，也使得文中所研究的編織復(fù)合材料具有各向同性和異性的特點。因此會產(chǎn)生諸多對復(fù)合材料傳熱影響的因素，對4種影響因素進(jìn)行分析：①總結(jié)文獻(xiàn)[12，14，26-27，34]可以得出CTC與織物纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。纖維體積分?jǐn)?shù)和織物復(fù)合材料的CTC表現(xiàn)為同增同減關(guān)系，圖與表都呈現(xiàn)出一致上升的趨勢。編織材料的傳熱情況軸向大于橫向，從而解釋了復(fù)合材料傳熱的各向傳遞差異性；②總結(jié)文獻(xiàn)[12，26-27，29]可以得出CTC與內(nèi)部編織角的關(guān)系。內(nèi)部編織角和編織復(fù)合材料的橫向CTC表現(xiàn)為同增同減的關(guān)系，軸向CTC與之相反。因此也可以得出復(fù)合材料的CTC在軸向和橫向上有一定的差異；③總結(jié)文獻(xiàn)[29]可以得出CTC與界面接觸熱阻的關(guān)系。界面接觸熱阻和編織復(fù)合材料的CTC表現(xiàn)為相互逆向的關(guān)系；④總結(jié)文獻(xiàn)[14]可以得出CTC與孔隙率體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系?？紫堵鼠w積分?jǐn)?shù)和編織復(fù)合材料的CTC表現(xiàn)為相互逆向的關(guān)系，并且呈現(xiàn)出CTC軸向大于橫向的趨勢。

3.2 影響復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)(CTE)的因素

由于編織復(fù)合材料在編織過程中會產(chǎn)生編織角以及孔隙率，受到此工藝過程的影響，碳纖維編織復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)往往比單個碳纖維更為復(fù)雜。在固化過程中，基體與碳纖維的結(jié)合，由于兩者會受到溫度的影響，也會直接影響到整體復(fù)合材料的熱膨脹行為。在某些應(yīng)用領(lǐng)域會需要較低的熱膨脹系數(shù)的復(fù)合材料，則就需要獲得基體與碳纖維材料的性能參數(shù)，再進(jìn)行調(diào)配結(jié)合比例得出合適的材料。

總結(jié)文獻(xiàn)[45]可以得出CTE與內(nèi)部編織角的關(guān)系，增大內(nèi)部編織角，編織復(fù)合材料的軸向CTE先減再增，橫向CTE先增再減。因此可以看出編織復(fù)合材料的CTE表現(xiàn)為各向差異性。

總結(jié)文獻(xiàn)[33]可以得出CTE與孔隙率的關(guān)系，孔隙率和單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的線性CTE表現(xiàn)為相互逆向關(guān)系。

綜合以上幾點對編織復(fù)合材料CTC和CTE影響因素的分析，根據(jù)3.1節(jié)和3.2節(jié)可得出編織復(fù)合材料CTC和CTE具有一致的各向差異性，這表明編織復(fù)合材料的幾何結(jié)構(gòu)對材料整體的CTC和CTE產(chǎn)生重要影響，如果編織復(fù)合材料需要偏向有益于CTC或者降低CTE的方向發(fā)展，可以基于這幾點影響因素或者另外可能的影響因素入手，盡量避免出現(xiàn)較多的異向性，或者還可以開發(fā)出更新的編織結(jié)構(gòu)。而且，基體材料的選取也會影響到成品化編織復(fù)合材料的熱性能。文獻(xiàn)對于基體在編織復(fù)合材料中影響的研究缺乏，是否可以在基體中添加某些物質(zhì)可以達(dá)到提升編織復(fù)合材料的整體熱性能還有待進(jìn)一步研究。

4 潛在應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料是一種集聚了多種性能的潛力材料，比如，碳纖維復(fù)合材料有著輕量化的作用，在汽車工業(yè)方面，非常適用于減輕汽車車身整體的重量，其中包括汽車的某些零部件，這將會為汽車行業(yè)帶來一次革新。在軍事方面，先進(jìn)的無人機(jī)由于輕量化、長航程等技術(shù)要求，也迫切需要對自身減重。碳纖維復(fù)合材料具有可調(diào)控?zé)嵝阅?，如果將其與芯片結(jié)合，解決芯片相關(guān)熱問題，可能也會給芯片行業(yè)帶來曙光。它們還可以用于風(fēng)電葉片、壓力容器以及土木建筑等。碳纖維復(fù)合材料作為一種有待繼續(xù)開發(fā)和拓展的潛力材料，目前針對其各方面性能的研究還是處于初步階段。由于供需問題，至此還未大規(guī)模推行碳纖維復(fù)合材料在各行業(yè)中使用，不僅僅是因為其價格問題的使然，還有就是其生產(chǎn)的技術(shù)以及優(yōu)化材料性能的技術(shù)未達(dá)到完全成熟的掌握。就目前來看，碳纖維地鐵已經(jīng)推出，雖未正式的運(yùn)營，但相信在未來不久，我們可能會看到碳纖維高鐵，在此基礎(chǔ)上還可以發(fā)展成真空管磁懸浮碳纖維高鐵。

5 結(jié)束語

對許多學(xué)者在碳纖維復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀、方法以及各種性能研究進(jìn)行了階段性的總結(jié)，并且他們還在繼續(xù)為碳纖維復(fù)合材料的再拓展研究。每篇文獻(xiàn)中研究不同的對象模型，包括碳纖維和基體的種類、碳纖維的編織工藝以及制成幾維結(jié)構(gòu)等等。碳纖維復(fù)合材料的性能(熱、電和機(jī)械性能等)存在許多未知的影響因素，除了制造工藝過程以外，像碳纖維，它受到其種類、纖維體積分?jǐn)?shù)、內(nèi)部編織角、孔隙率以及與基體的界面結(jié)合固化的影響；而基體，它的種類、結(jié)晶溫度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也會對復(fù)合材料的整體性能造成影響。這些影響因素都是值得我們關(guān)注的，通過優(yōu)化的手段來避免這些不良因素的同時，應(yīng)盡可能增強(qiáng)復(fù)合材料的熱、電和機(jī)械性能，在此基礎(chǔ)上再開發(fā)出其潛在的性能。同時，我們也要使得制作工藝更高效化，促使這種多功能性的材料得到推廣，同時受到未來市場的青睞。