碳碳复合材料的各向异性导热性能测试

CC复合材料的导热性能研究的开题报告1.研究背景随着石油和天然气资源的日益枯竭，节能减排和可再生能源的研究变得越来越重要。

在这个背景下，复合材料就成为了一种非常重要的材料。

复合材料由两种或两种以上不同的材料组成，具有优良的性能和应用前景。

其中，碳纤维复合材料（Carbon fiber reinforced composite，CC）是一种高性能、高刚性、高强度、低密度的新型材料，广泛应用于航空、航天、汽车、体育用品等领域。

然而，CC的导热性能一直是其应用受限的一个瓶颈问题。

2.研究目的本研究的目的是探究CC的导热性能，通过对CC的热传导机理进行深入研究，分析影响CC导热性能的因素，并对CC的导热性能进行改进与优化，以提高其应用性能。

3.研究内容与方法本研究的内容主要包括以下几个方面：3.1研究CC的导热性能通过热物理学实验仪器对样品进行热传导测试，得到CC的导热系数，并与传统材料进行比较。

3.2分析影响CC导热性能的因素在实验中，针对CC的材料组成、纤维层厚度和层数、纤维取向、树脂材料以及加工工艺等因素进行分析，探究其对CC导热性能的影响。

3.3优化CC的导热性能通过改变材料组成、优化纤维层厚度和层数、调整纤维取向、改变树脂材料以及改进加工工艺等方法，探究优化CC导热性能的途径。

4.预期成果通过本研究，预期可以得到以下成果：4.1CC导热性能的研究结果通过实验，得到CC的导热系数，并与传统材料进行比较，从而了解CC的导热性能。

4.2分析影响CC导热性能的因素通过分析材料组成、纤维层厚度和层数、纤维取向、树脂材料以及加工工艺等因素对CC导热性能的影响，探究CC导热性能的机理。

4.3优化CC的导热性能通过改变材料组成、优化纤维层厚度和层数、调整纤维取向、改变树脂材料以及改进加工工艺等方法，探究优化CC导热性能的途径。

5.研究意义本研究揭示了CC的导热性能，探讨了影响CC导热性能的因素，为优化和改进CC的导热性能提供了理论基础和技术支持，具有一定的理论和实际意义。

炭炭复合材料热导率测定概述及解释说明1. 引言1.1 概述：炭炭复合材料是一种具有特殊结构和性能的材料，在热导率方面具有重要应用价值。

热导率是指材料传导热量的能力，它在许多领域中起着关键作用，例如电子器件散热、节能建筑等。

因此，了解炭炭复合材料的热导率及其测定方法对于进一步探索其性能和应用具有重要意义。

1.2 文章结构：本文将从几个方面对炭炭复合材料的热导率进行概述和解释说明。

首先，我们将介绍炭炭复合材料的定义和特点，包括其组成成分、微观结构及物理性质等方面。

其次，我们将详细探讨制备方法，包括碳化工艺、压制工艺等，并对各种方法进行比较和分析。

接着, 将介绍该材料在不同领域的应用情况，并阐述其优势和潜在问题。

然后，我们将给出关于测定方法的概述，包括测量原理、实验装置以及数据处理方法等内容。

1.3 目的：本文的目的是全面概述和解释炭炭复合材料的热导率及其测定方法，以促进人们对该特殊材料性能的深入了解。

通过本文的阐述，读者可以更好地理解炭炭复合材料的制备工艺、特性以及应用领域，并掌握相关测定方法。

此外，我们也希望能够为未来在该领域的进一步研究提供一些有益的启示和展望。

以上便是文章“1. 引言”部分内容撰写完毕。

2. 炭炭复合材料2.1 定义和特点炭炭复合材料是由炭素和石墨颗粒等碳质材料组成的复合材料。

它具有优异的导电性、高温稳定性、耐腐蚀性和机械强度，在多个领域都有广泛的应用。

2.2 制备方法炭炭复合材料的制备方法主要包括浸渍法、化学气相沉积法和压力过滤法等。

其中，浸渍法是最常用的方法之一。

该方法首先制备出具有良好孔隙结构的碳棉基体，然后通过浸渍方式将聚合物树脂或沥青渗透到碳棉中，最后经过高温热解处理得到了炭炭复合材料。

2.3 应用领域由于其导电性能好且能耐受高温环境，在航空航天、电子器件、汽车工业以及能源领域等都有广泛应用。

在航空航天领域，炭炭复合材料被广泛应用于导电件和隔热部件；在电子器件中，它可以用作散热材料，提高器件的散热效果；在汽车工业中，炭炭复合材料被应用于制动系统和发动机零部件等高温高压环境下的部件；而在能源领域，炭炭复合材料可用于核电站中的导热管道和隔热元件。

第４８卷第１２期２０２０年１２月塑料工业ＣＨＩＮＡＰＬＡＳＴＩＣＳＩＮＤＵＳＴＲＹＣＦ/ＥＰ复合材料的热学和力学性能仿真∗王㊀瑶ꎬ伍㊀斌ꎬ夏㊀茹ꎬ钱家盛ꎬ陈㊀鹏∗∗(安徽大学化学化工学院ꎬ安徽合肥２３０６０１)㊀㊀摘要:为了降低碳纤维/树脂基体复合材料的生产和应用成本ꎬ采用模拟仿真技术研究了短切碳纤维与环氧树脂的复合体系ꎮ通过控制短切碳纤维的取向分布状态ꎬ碳纤维在环氧树脂基体中的平铺结构和交错结构两种状态进行仿真ꎬ研究了复合材料的力学和热学性能ꎮ研究发现ꎬ具有碳纤维平铺结构的复合材料呈现各向异性的特点ꎬ具有交错结构的复合材料在面内具有各向同性的特点ꎮ关键词:环氧树脂ꎻ碳纤维ꎻ有限元ꎻ复合材料中图分类号:ＴＱ３２３ ５㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００５－５７７０(２０２０)１２－０１５５－０５ｄｏｉ:１０ ３９６９/ｊ ｉｓｓｎ １００５－５７７０ ２０２０ １２ ０３２开放科学(资源服务)标识码(ＯＳＩＤ):ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎＴｈｅｒｍａｌａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ/ＥｐｏｘｙＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＷＡＮＧＹａｏꎬＷＵＢｉｎꎬＸＩＡＲｕꎬＱＩＡＮＪｉａ￣ｓｈｅｎｇꎬＣＨＥＮＰｅｎｇ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＨｅｆｅｉ２３０６０１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｃｏｓｔｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ/ｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｙｓｔｅｍｏｆｓｈｏｒｔｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ(ＣＦ)ａｎｄｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ.ＴｈｅｓｈｏｒｔｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｗｅｒｅａｒｒａｎｇｅｄｉｎｔｏｔｗｏｓｔａｔｅｓｉｎＥＰｍａｔｒｉｘꎬｗｈｉｃｈｗｅｒｅａｌｉｇｎｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｒｏｓｓｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｓ.ＩｔｉｓｃｌｅａｒｌｙｏｂｓｅｒｖｅｄｔｈａｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈａｌｉｇｎｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＣＦｅｘｈｉｂｉｔａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓꎬａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｃｒｏｓｓｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＣＦｓｈｏｗｓｉｓｏｔｒｏｐｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｔｈｅｉｎ￣ｐｌａｎｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＥｐｏｘｙＲｅｓｉｎꎻＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒꎻＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔꎻＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ聚合物基碳纤维复合材料的常规加工工艺是:利用碳纤维良好的韧性和可纺性ꎬ加工成碳纤维布ꎬ之后与聚合物基体复合ꎬ模塑成型后加热固化ꎮ这种工艺方法依赖人工对复合材料的操作与处理ꎬ效率低ꎬ加工成本昂贵ꎬ且制品的质量稳定性受操作过程的影响[１－２]ꎮ此外ꎬ编织成二维布的碳纤维之间结合力较低ꎬ在受力或其他环境作用下ꎬ容易产生破坏应力集中点ꎬ造成部件的失效ꎮ降低聚合物基碳纤维复合材料的加工成本㊁提高材料的稳定性ꎬ是开发聚合物基碳纤维复合材料的重要方向[３]ꎮ研究者探索了多种碳纤维和聚合物的复合工艺ꎬ例如ꎬ利用短碳纤维与碳纤维布复合[４－５]ꎻ碳纤维丝层压等[６－７]ꎮ与碳纤维布的编织和浸渍工艺相比ꎬ碳纤维丝的层压技术工艺简单ꎬ可以采用机器连续操作ꎬ具有重要的发展前景ꎮ目前ꎬ国内外学者对碳纤维(ＣＦ)/环氧树脂复合材料的热力学性能进行了深入的研究ꎮＰａｐａｔｈａｎａｓｉｏｕ等[８]测试了纤维体积分数㊁长度㊁长宽比和取向等参数对/ＥＰ等效拉伸模量的影响ꎮ使用的ＣＦ的直径和长度分别是８μｍ和０ １５~３ｍｍꎬ纤维长宽比在２５~１２０之间ꎬ纤维体积分数为０ ４％~１７％ꎮ结果表明ꎬ杨氏模量随纤维体积分数的增大而增大ꎬ随纤维长度和长宽比的增大而减小ꎮ当纤维体积分数和长宽比一定时ꎬ随机纤维复合材料的杨氏模量小于准直纤维复合材料ꎮ准直纤维复合材料沿纤维方向的刚度约为随机纤维复合材料的１ ９１倍ꎮＳｈｉ￣ｍａｍｏｔｏ等[９]研究了纤维取向对ＳＣＦ/ＥＰ复合材料抗弯强度和模量的影响ꎬ复合材料中纤维体积分数为２０％ꎬＣＦ的平均长度为３ｍｍꎮ在研究过程中ꎬ０ʎ~１０ʎ的角范围内ꎬ纤维取向率为７１％ꎮ结果表明ꎬ复合材料具有一定的塑性性能ꎬ且ＳＣＦ/ＥＰ复合材料的弯曲模量为１６ＧＰａꎬ弯曲强度为２１１ＭＰａꎬ均为随机５５１ ∗国家重点研发计划项目(２０１７ＹＦＢ０４０６２０４)∗∗通信作者:陈鹏ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎬ研究方向为高分子理论计算与模拟以及高分子化学反应动力学ꎮｃｈｐｅｃｐ＠１２６ ｃｏｍ作者简介:王瑶ꎬ女ꎬ１９９５年生ꎬ在读硕士研究生ꎬ研究方向为计算机模拟复合材料的导热性能ꎮｗａｎｇｙａｏ＿６８９＠１６３ ｃｏｍ塑㊀料㊀工㊀业２０２０年㊀㊀取向复合材料的２倍左右ꎮＡｈｍａｄｉ等[１０]用有限元方法研究了碳纤维界面特征㊁碳纤维体积分数㊁取向㊁各种排列方式等对增强多相复合材料热导率的影响ꎬ建立了由碳纤维㊁基体以及界面组成的三相代表性体积元的连续体模型ꎮ结果表明ꎬ界面热导率和界面厚度对横向热导率的影响最大ꎬ且有一定的临界界面热导率ꎻ同时碳纤维倾角增加ꎬ多相复合材料的纵向热导率减小ꎬ横向热导率增大ꎮＤｅｎｇ等[１１]提出了碳纤维复合材料导热性增强的解析模型ꎬ该模型考虑了碳纤维的体积分数㊁导热性各向异性㊁纵横比㊁非直线性和界面热阻的影响ꎬ预测结果与实验数据吻合良好ꎮ本项研究采用有限元模拟方法ꎬ分析短切碳纤维(连续碳纤维丝切断成短纤维状)与聚合物基体的复合状态对材料力学和导热等性能的影响规律ꎬ从理论上预测碳纤维聚合物复合材料物理力学性能的主要影响因素ꎬ探讨了利用短切碳纤维与聚合物基体直接复合制备高性能复合材料的可能性ꎮ我们的模拟研究可以帮助实验研究和设计新型聚合物基碳纤维复合材料ꎮ１㊀模型与方法目前ꎬ有许多应用有限元方法分析和计算材料体系的物理性能的仿真软件ꎮ其中Ｅｘｓｔｒｅａｍ公司推出的Ｄｉｇｉｍａｔ软件适用于对复合材料进行分析计算ꎬ可以预测纤维㊁纤维编织物等填料在各种高分子和陶瓷等基体中的分布状态和物理性能ꎮ本文采用该软件分析短切碳纤维在环氧树脂基体中的分布状态和力学等物理性能之间的关系ꎮａ－ＣＦ/ＥＰ平铺结构ｂ－ＣＦ/ＥＰ交错结构方形内的条纹代表碳纤维在环氧树脂中的分布状态ꎮ图１㊀ＣＦ/ＥＰ复合材料仿真模型的结构设计Ｆｉｇ１㊀ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｏｆＣＦ/ＥＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ为了替代碳纤维编织布增强环氧树脂基体ꎬ基于实验中的层压法ꎬ本文设计了两种易于制备的ＣＦ/环氧树脂(ＥＰ)复合材料ꎮ一种是将四层短切碳纤维平铺在环氧树脂基体中ꎬ每一层中ꎬ短切碳纤维沿同一方向取向ꎬ且短切碳纤维之间互不交叉接触ꎬ形成如图１ａ所示的平铺ＣＦ/ＥＰ复合材料ꎬ简称平铺结构复合材料ꎻ另一种是将四层短切碳纤维以图１ｂ所示的角度交错排列在环氧树脂基体中ꎬ简称交错结构复合材料ꎮ建模过程中ꎬ首先生成代表ＣＦ在ＥＰ中取向分布的单层结构ꎬ之后根据两种模型ꎬ将四个单层结构以相同或者不同的角度组合起来ꎮ该模型中ꎬ设定ＣＦ和ＥＰ㊁层和层之间的界面被视为相互连接的独立表面ꎬ进而不考虑它们之间的热阻ꎮ图２所示是Ｄｉｇｉｍａｔ所建立的计算模型ꎮａ－平铺结构ｂ－交错结构图２㊀ＣＦ/ＥＰ复合材料的仿真模型Ｆｉｇ２㊀ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＣＦ/ＥＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ模拟体系选择周期性边界条件ꎬ短切碳纤维的直径设为７μｍꎬ长度根据长径比不同而变化ꎮ在ＣＦ/ＥＰ复合材料中ꎬＣＦ质量分数为２０％ꎮ仿真ＣＦ/ＥＰ复合材料性能的其他参数如表１所示:表１㊀仿真过程中选用的材料参数Ｔａｂ１㊀Ｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｅｌｅｃｔｅｄｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ参数碳纤维环氧树脂密度/(ｋｇ/ｍ３)１８００１４００比热容/[Ｊ/(ｋｇ Ｋ)]７５０１０００横向导热系数/[Ｗ/(ｍ Ｋ)]３５ ０１８１ ４５面内导热系数/[Ｗ/(ｍ Ｋ)]０ １７８横向杨氏模量/ＧＰａ２３０３ ４５面内杨氏模量/ＧＰａ４０３ ４５面内泊松比０ ３０ ３５横向泊松比０ ２５０ ３５横向剪切模量/ＧＰａ１５ ４横向热膨胀系数/Ｋ－１－５ ５ˑ１０－７２ ４４ˑ１０－５面内热膨胀系数/Ｋ－１１ˑ１０－５２㊀结果与讨论２ １㊀力学性能研究首先研究两种模型的力学性能ꎮ设定体系温度为２５ħꎬ对复合材料施加拉伸和剪切两种不同的应力后ꎬ探究复合材料的杨氏模量(Ｅ)㊁剪切模量和泊松比的变化情况ꎮＥ和应力(σ)与应变(ε)有关:σ＝Ｅεꎮ若是考虑到σ＝Ｆ/Ａꎬε＝ΔＬ/Ｌꎬ可得:Ｆ/Ａ＝Ｅ(ΔＬ/Ｌ)(１)６５１第４８卷第１２期王㊀瑶ꎬ等:ＣＦ/ＥＰ复合材料的热学和力学性能仿真式中ꎬＦ－作用力ꎬＮꎻＡ－受力面积ꎬｍ２ꎻΔＬ－长度的微小变化量ꎻＬ－长度ꎬｍꎮ剪切模量的定义为剪切应力和剪切应变的比率ꎬ公式为:Ｇ＝τｘｙ/γｘｙ＝Ｆ/ＡΔＸ/Ｌ＝ＦＬ/ＡΔＸ(２)式中ꎬＧ－剪切模量ꎬＧＰａꎻτｘｙ－剪切应力ꎬＧＰａꎻγｘｙ－剪切应变ꎻＡ－作用力的表面积ꎬｍ２ꎻΔＸ－横向位移ꎬｍꎻＬ－初始长度ꎬｍꎮ泊松比是指材料在单向受拉或受压时ꎬ横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值ꎬ它是反映材料横向变形的弹性常数ꎮ若定义为在弹性范围内加载ꎬ则定义泊松比的计算公式为:εｘ＝－νεｙ(３)式中ꎬεｘ－横向应变ꎻεｙ－纵向应变ꎻν－泊松比ꎮａ－平行于ＣＦ取向方向的拉伸应力ｂ－平行于ＣＦ取向方向的剪切应力ｃ－垂直于ＣＦ取向方向的剪切应力图３㊀ＣＦ/ＥＰ复合材料力学性能测试示意图Ｆｉｇ３㊀ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＣＦ/ＥＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｔｅｓｔｉｎｇ在测试体系的杨氏模量时ꎬ沿着短切碳纤维在环氧树脂基体中的取向方向(ｘ方向)拉伸复合材料(图３ａ)ꎮ在测试体系的剪切模量时ꎬ设定平行和垂直ＣＦ取向方向的两种剪切力ꎬ得到横向剪切模量Ｇｘｚ(剪切力平行于碳纤维取向方向)和面内剪切模量Ｇｙｚ(剪切力垂直于碳纤维取向方向)两种剪切模量ꎬ如图３ｂ㊁ｃꎮ在计算体系的泊松比时ꎬ同样测试了垂直(面内泊松比νｙｚ)和平行(横向泊松比νｘｚ)方向的泊松比系数ꎮ研究中分别考察了短切碳纤维的长径比对两种模型力学性能的影响ꎬ结果如图４和图５所示ꎮ从图４和图５可知ꎬ短切碳纤维的长径比对复合材料的力学性能影响不大ꎬ这是因为受模拟体系尺寸的影响ꎬ短切碳纤维的长度变化区间狭窄ꎮ然而ꎬ短切碳纤维的分布状态对ＣＦ/ＥＰ复合材料的力学性能有重要的影响ꎮ由于平铺结构中ꎬＣＦ在ＥＰ基体中的分布呈现各向异性特征ꎬ图４中ꎬ复合材料的力学性能表现出明显的各向异性的特征ꎮ例如ꎬ沿着ｘ方向(拉伸方向)的杨氏模量(Ｅｘ)ꎬ远高于沿着ｙ和ｚ方向的杨氏模量(Ｅｙ㊁Ｅｚ)ꎮ面内和横向两种剪切模量由较大的差异面内和横向的泊松比也如此ꎮ在交错结构中ꎬ平面方向的碳纤维在ｘ和ｙ方向均匀排列ꎮ如图５ａ所示ꎬ复合材料在ｘ和ｙ方向的杨氏模量略有偏差ꎬ但都明显高于ｚ方向的杨氏模量ꎮ复合材料的面内剪切模量(Ｇｘｚ)和横向剪切模量(Ｇｙｚ)相差不大ꎬ面内泊松比(ｖｘｚ)和横向泊松比(ｖｙｚ)也相差不大ꎮａｂ图４㊀ＣＦ/ＥＰ平铺结构ꎬ碳纤维长径比对力学性能的影响Ｆｉｇ４㊀ＣＦ/ＥＰｔｉｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｌｅｎｇｔｈ￣ｄｉａｍｅｔｅｒｒａｔｉｏｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ对比图４和图５可以发现ꎬ碳纤维的分布状态对复合材料的力学性能有重要的影响ꎮ短切碳纤维沿着一个方向分布的平铺结构ꎬ有利于提高ＣＦ/ＥＰ复合材料的各向异性特征ꎬ在碳纤维取向分布方向ꎬ材料的杨氏模量㊁剪切模量和泊松比远高于其他方向的数７５１塑㊀料㊀工㊀业２０２０年㊀㊀值ꎮ交错分布的短切碳纤维ꎬ有利于提高ＣＦ/ＥＰ复合材料的整体物性ꎮ在实际应用中ꎬ人们可以根据材料的应用需求设计和优化短切碳纤维的分布状态达到对材料力学性能的精确调控ꎮａｂ图５㊀ＣＦ/ＥＰ交错结构ꎬ碳纤维长径比对力学性能的影响Ｆｉｇ５㊀ＣＦ/ＥＰｓｔａｇｇｅｒｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｌｅｎｇｔｈ￣ｄｉａｍｅｔｅｒｒａｔｉｏｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ２ ２㊀热学性能研究如图６所示ꎬ为了研究ＣＦ/ＥＰ复合材料的热学性质ꎬ在模型的两端设置温度梯度场(ΔＴ＝３００Ｋ)ꎬ计算复合材料的导热系数和热膨胀系数ꎮ图６㊀ＣＦ/ＥＰ复合材料热学模型的温度分布图Ｆｉｇ６㊀ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆＣＦ/ＥＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｈｅｒｍａｌｍｏｄｅｌ在瞬态温度场Ｔ(ｘꎬｙꎬｚꎬｔ)下ꎬ体系导热系数的计算有限元微分方程如下:∂∂ｘｋｘ∂Ｔ∂ｘ()＋∂∂ｙｋｙ∂Ｔ∂ｙ()＋∂∂ｘｋｙ∂Ｔ∂ｚ()＋ρＱ＝ρｃＴ∂Ｔ∂ｔ(４)式中ꎬＴ－温度ꎻρ－材料密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎻｃＴ－瞬态温度场下的材料比热ꎬＪ/(ｋｇ Ｋ)ꎻｋｘ㊁ｋｙ㊁ｋｚ－分别代表沿ｘ㊁ｙ㊁ｚ方向的导热系数ꎻＱ－物体内部的热源强度ꎻｔ－时间ꎮ在实际计算中ꎬ为了研究热传导的各向异性ꎬ分别在ｘ㊁ｙ和ｚ三个方向施加温度梯度场ꎬ分别计算三个方向上的导热系数ꎮ混合短纤维复合材料线膨胀系数计算式如下[１２]:αｃ＝１２ＥｍＶｍαｍ＋ＥｆＶｆαｆＥｍＶｍＥｆＶｆ(１－νｃ)＋１２(１＋νｍ)αｍＶｍ＋１２(１＋νｆ)αｆＶｆ(５)式中ꎬαｃ－热膨胀系数ꎬＫ－１ꎻＥ－弹性模量ꎬＧＰａꎻＶ－体积分数ꎻν－泊松比ꎻ下标ｆ㊁ｍ㊁ｃ－分别代表纤维㊁基体和复合材料ꎮ图７㊀碳纤维长径比对ＣＦ/ＥＰ复合材料热传导性能的影响Ｆｉｇ７㊀Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｌｅｎｇｔｈ￣ｄｉａｍｅｔｅｒｒａｔｉｏｏｎｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆＣＦ/ＥＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ图８㊀ＣＦ长径比对ＣＦ/ＥＰ复合材料热膨胀系数的影响Ｆｉｇ８㊀Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｌｅｎｇｔｈ￣ｄｉａｍｅｔｅｒｒａｔｉｏｓｏｎｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＣＦ/ＥＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ如图７所示ꎬ对比平铺结构和交错结构的复合材料导热系数可以发现ꎬ平铺结构的复合材料在沿着碳纤维的取向方向具有较高的导热系数[约６Ｗ/(ｍ Ｋ)]ꎮ交错结构复合材料的导热性能在平面方向均有相对较高的导热系数[约２ ５Ｗ/(ｍ Ｋ)]ꎬ在垂直碳纤维方向的导热系数较低[约０ ２Ｗ/(ｍ Ｋ)]ꎮ对比平铺结构和交错结构中ＣＦ/ＥＰ复合材料的热传导性能变化情况可知ꎬ与力学性能类似ꎬ平铺结构的８５１第４８卷第１２期王㊀瑶ꎬ等:ＣＦ/ＥＰ复合材料的热学和力学性能仿真热学性能显示出明显的各向异性特征ꎮ这一点在研究ＣＦ/ＥＰ复合材料的热膨胀系数时也得到了很好的体现ꎮ由于碳纤维的平铺结构ꎬ图８中复合材料的热膨胀系数在ｘ方向(碳纤维取向方向)要远远小于ｙ和ｚ方向ꎻ而由于碳纤维在ｘ－ｙ平面内交错排列ꎬ复合材料在ｘ和ｙ方向的热膨胀系数接近ꎮ同样ꎬ由于仿真体系的尺寸太小ꎬ碳纤维长度对复合材料热学性能的影响没有表现出来ꎮ３㊀总结通过上述分析可知ꎬ碳纤维的分布状态对ＣＦ/ＥＰ复合材料的力学和热学性能有重要的影响ꎮ在平铺结构中ꎬ材料的力学和热学性能均表现出明显的各向异性ꎮ在交错结构中ꎬ材料在平面方向表现出各向同性ꎮ沿着碳纤维的取向方向ꎬ复合材料具有较高的杨氏模量和导热系数以及较低的热膨胀系数ꎮ垂直于碳纤维取向方向ꎬ复合材料的具有较高的剪切模量和较低的泊松比ꎮ我们可以通过控制碳纤维的分布状态来优化碳纤维复合材料的力学和热学特性或制备得到满足特殊需求的各向异性材料ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]尹红灵.热塑性碳纤维编织复合材料热压成型研究[Ｄ].上海:上海交通大学ꎬ２０１６.ＹＩＮＨＬ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｈｏｔｐｒｅｓｓｆｏｒｍｉｎｇｏｆｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｂｒａｉｄｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｄ].Ｓｈａｎｇｈａｉ:ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１６.[２]王贵彬.碳纤维复合材料制品模压成型及有限元分析[Ｄ].徐州:中国矿业大学ꎬ２０１４.ＷＡＮＧＧＢ.Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌ￣ｙｓｉｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｒｏｄｕｃｔｓ[Ｄ].Ｘｕｚｈｏｕ:ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４. 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[６]ＺＨＯＵＪＭꎬＭＥＮＧＨＭꎬＬＩＤＬꎬｅｔａｌ.Ｍｕｌｔｉ￣ｓｃａｌｅｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｍａｇｎｅｓｉｕｍｌａｍｉｎａｔｅｓ(Ｃｆ/ＡＺ９１Ｄ)ｆｏｒＹｏｕｎｇ ｓｍｏｄｕｌｕｓｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ[Ｊ].ＲａｒｅＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１９ꎬ４８(７):２０６８－２０７３.[７]ＯＳＴＡＰＩＵＫＭꎬＢＩＥＮＩＡＳ'ＪꎬＳＵＲＯＷＳＫＡＢꎬｅｔａｌ.Ａｎａｌ￣ｙｓｉｓｏｆｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇａｎｄｆａｉｌｕｒｅｏｆｆｉｂｅｒｍｅｔａｌｌａｍｉｎａｔｅｓｂａｓｅｄｏｎｇｌａｓｓａｎｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓ[Ｊ].ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１８ꎬ２５(６):１０９５－１１０６. [８]ＰＡＰＡＴＨＡＮＡＳＩＯＵＴＤꎬＩＮＧＢＥＲＭＳꎬＧＵＥＬＬＤＣ.Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｉｎａｌｉｇｎｅｄꎬｓｈｏｒｔ￣ｆｉｂｒｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ:Ａｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ[Ｊ].Ｃｏｍ￣ｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ１９９５ꎬ５４(１):１－９. [９]ＳＨＩＭＡＭＯＴＯＤꎬＴＯＭＩＮＡＧＡＹꎬＩＭＡＩＹꎬｅｔａｌ.Ｆｉｂｅｒｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｆｌｅｘｕｒａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｈｏｒｔｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ/ｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＣｅｒａｍｉｃＳｏｃｉｅｔｙｏｆＪａｐａｎꎬ２０１６ꎬ１２４(１):１２５－８.[１０]ＡＨＭＡＤＩＭꎬＡＮＳＡＲＩＲꎬＨＡＳＳＡＮＺＡＤＥＨ￣ＡＧＨＤＡＭＭＫ.Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｉｅｓｏｆｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＩｎ￣ｔｅｒｆａｃｅｓꎬ２０１９:１－２１.[１１]ＤＥＮＧＦꎬＺＨＥＮＧＱＳꎬＷＡＮＧＬＦꎬｅｔａｌ.Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆａｎｉｓｏｔｒｏｐｙꎬａｓｐｅｃｔｒａｔｉｏꎬａｎｄｎｏｎｓｔｒａｉｇｈｔｎｅｓｓｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓｏｎｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｃｏｍ￣ｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓꎬ２００７ꎬ９０(２):７８７.[１２]王玉庆ꎬ张名大ꎬ周本濂ꎬ等.复合材料热膨胀的一个理论模型[Ｊ].材料研究学报ꎬ１９８９ꎬ３(５):４４２－４４６.ＷＡＮＧＹＱꎬＺＨＡＮＧＭＤꎬＺＨＯＵＢＬꎬｅｔａｌ.Ａｔｈｅｏ￣ｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈꎬ１９８９ꎬ３(５):４４２－４４６.(本文于２０２０－０９－１８收到)㊀«塑料工业»杂志投稿邮箱:ｓｌｇｙ＠ｂｌｕｅｓｔａｒ ｃｈｅｍｃｈｉｎａ ｃｏｍ欢迎访问«塑料工业»杂志网站:ｗｗｗ ｉｐｌａｓｔ ｃｎ９５１。

碳碳复合材料导热系数一、引言碳碳复合材料是一种高性能、高温、高强度的新型材料，具有优异的耐热、抗氧化和耐腐蚀等性能，因此在航空航天、汽车制造、核工业等领域得到广泛应用。

其中，导热系数是影响碳碳复合材料热传导性能的重要因素之一。

二、什么是导热系数导热系数是指单位时间内单位面积上的热量流动量与温度梯度之比，通常用W/(m·K)表示。

在物理学中，导热系数也被称为热传递系数或热导率。

三、碳碳复合材料的导热系数1. 碳纤维增强碳基复合材料（C/C）的导热系数C/C复合材料具有优异的导热性能，其导热系数通常在100~400 W/(m·K)范围内。

其中，高模量C/C复合材料的导热系数约为200 W/(m·K)，而高强度C/C复合材料则可达到400 W/(m·K)以上。

2. 碳纤维增强陶瓷基复合材料（C/SiC）的导热系数C/SiC复合材料的导热系数通常在20~100 W/(m·K)范围内，其导热性能相对较弱。

其中，高温下的C/SiC复合材料导热性能较好，其导热系数可达到100 W/(m·K)以上。

3. 碳纤维增强碳化硅基复合材料（C/C-SiC）的导热系数C/C-SiC复合材料具有优异的导热性能，其导热系数通常在100~400 W/(m·K)范围内。

其中，高温下的C/C-SiC复合材料导热性能最好，其导热系数可达到400 W/(m·K)以上。

四、影响碳碳复合材料导热系数的因素1. 材料成分：不同成分的碳碳复合材料具有不同的导热性能。

一般来说，纯碳基材料具有较好的导热性能，而陶瓷基和金属基复合材料则相对较差。

2. 纤维取向：纤维取向是影响碳碳复合材料导热性能的重要因素之一。

纤维取向越接近于横向，导热系数越小；纤维取向越接近于纵向，导热系数越大。

3. 纤维体积分数：碳碳复合材料中纤维的体积分数也会影响导热性能。

一般来说，纤维体积分数越高，导热系数也就越高。

2023年第47卷第4期Journal of Mechanical Transmission正交各向异性C/SiC汽车通风式制动器仿真分析朱玉玲1,2王优强1,2赵涛1,2李梦杰1,2何彦1,2（1 青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东青岛266520）（2 工业流体节能与污染控制教育部重点实验室，山东青岛266520）摘要运用热力耦合及传热学相关理论，利用有限元软件Abaqus建立正交各向异性C/SiC材料的汽车通风式制动器模型；以此为基础，对该模型在紧急制动过程中不同制动初速度、不同制动压力以及制动盘的不同纵向膨胀系数进行了模拟和分析。

结果显示，在热力耦合作用下，制动盘节点单元温度曲线呈现出“锯齿状”波动，热应力主要出现在摩擦副接触的中间区域；在紧急制动过程中，制动压力和初速度越大，制动盘面温度上升越明显，而不同制动盘膨胀系数对制动盘最高温度的影响不显著。

关键词C/SiC 制动盘热力耦合Abaqus 温度场Simulation Analysis of Orthotropic Anisotropic C/SiC for Automotive Ventilated Brakes Zhu Yuling1,2Wang Youqiang1,2Zhao Tao1,2Li Mengjie1,2He Yan1,2（1 School of Mechanical and Automotive Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266520, China）（2 Key Lab of Industrial Fluid Energy Conservation and Pollution Control Ministry of Education, Qingdao 266520, China）Abstract Using the theory related to thermal coupling and heat transfer, the finite element software Abaqus is used to establish an orthogonal anisotropic C/SiC model of an automotive ventilated brake disc. Based on this model, different braking initial velocities, different braking pressures and different longitudinal expan⁃sion coefficients of the brake disc during emergency braking are simulated and analyzed. The results show that the temperature profile of the nodal unit of the brake disc exhibited "sawtooth" fluctuations under the effect of thermal coupling, and the thermal stresses mainly appeared in the middle region of the friction contact. The high⁃er the braking pressure and initial speed during emergency braking are, the higher the temperature rise of the disc surface will be. However, the effect of different disc expansion coefficients on the maximum disc tempera⁃ture is not significant.Key words C/SiC Brake disc Thermodynamic coupling Abaqus Temperature field0 引言拥有一个安全高效的制动系统是汽车稳定行驶的重要前提。

碳纤维复合材料的性能测试与预测碳纤维复合材料是一种轻质高强度的材料，具有广泛的应用前景。

为了评估其性能并进行准确的预测，进行性能测试是必不可少的。

本文将对碳纤维复合材料的性能测试及预测方法进行介绍和分析。

首先，我们来看碳纤维复合材料的基本性能测试项目。

其中包括力学性能测试、热学性能测试、电学性能测试和化学性能测试。

在力学性能测试中，常见的项目有拉伸强度、抗弯强度和击穿强度等。

拉伸强度测试可以测量材料在拉伸过程中的强度和变形情况，抗弯强度测试可以评估材料在弯曲应力下的承载能力，击穿强度则用于测试材料的抗压性能。

这些测试结果可以直接反映出碳纤维复合材料的强度和耐久性。

热学性能测试主要包括导热性能和热膨胀性能的测量。

导热性能测试可以评估材料在导热过程中的传导能力，而热膨胀性能测试则用于评估材料在温度变化下的热胀冷缩情况。

这些测试结果有助于了解碳纤维复合材料在高温环境下的性能表现。

电学性能测试主要关注材料的导电性能和绝缘性能。

导电性能测试可以测量材料的电阻值和导电性能，绝缘性能测试则用于评估材料的绝缘性能。

这些测试结果对于碳纤维复合材料在电子元器件和电气设备领域的应用具有重要意义。

化学性能测试涉及材料在不同介质中的化学稳定性和耐腐蚀性能。

常见的测试项目包括抗化学品腐蚀性能、耐候性和阻燃性能等。

这些测试结果可以评估碳纤维复合材料在不同环境条件下的稳定性和耐久性。

除了基本性能测试，预测碳纤维复合材料的性能也是非常重要的。

预测性能可以基于数值模拟和实验数据建立模型进行。

数值模拟方法主要包括有限元分析和计算流体力学分析。

有限元分析可以将碳纤维复合材料分割为有限数量的单元，并通过求解线性方程组得到各单元的应力和位移，进而预测整个材料的性能。

计算流体力学分析则用于模拟材料在流体流动中的行为。

这些数值模拟方法可以提供预测碳纤维复合材料性能的定量结果。

另外，实验数据的分析也是预测碳纤维复合材料性能的重要手段。

通过对已有的实验数据进行回归分析和统计建模，可以获得性能与材料组成、制备工艺等因素之间的关系。

热传导增强型C/C复合材料导热性能及其模拟的开
题报告
研究背景
碳/碳（C/C）复合材料是一种高强度、高模量、高导热性和高温稳定性的工程材料，被广泛应用于航空航天、机械制造和化学等领域。

然而，C/C复合材料的导热性能相对较差，限制了其在高温环境下的应用。

因此，研究如何增强C/C复合材料的导热性能显得尤为重要。

研究目的
本研究旨在探究如何通过改变C/C复合材料的微观结构，提高其导热性能。

通过模拟计算和实验分析，研究带有纳米结构的C/C复合材料的导热性能，为材料的应用提供理论和实践基础。

研究内容
1.对C/C复合材料的制备工艺进行优化，制备出带有纳米结构的C/C 复合材料。

2.通过实验测试，研究带有纳米结构的C/C复合材料的导热性能，并与传统C/C复合材料进行比较，探索纳米结构对C/C复合材料导热性能的影响。

3.利用分子动力学模拟方法，探究不同纳米结构对C/C复合材料导热性能的影响机理。

4.将实验测试和模拟计算结果相结合，寻找优化C/C复合材料导热性能的途径。

研究意义
本研究的结果有望在工程应用中提高C/C复合材料的导热性能，扩大其应用领域。

同时，对于研究新型纳米结构材料的导热性能，也将有一定的参考价值。

导热系数测试案例
多层复合材料的导热系数测量
导热系数是针对纯质或者均匀材料而言的，在实际应用中，通常会遇到多种材料形成的多层复合材料，此时称为材料的平均导热系数或者表观导热系数。

根据传热学，对于多层复合材料，当各层之间的导热系数相差不大时，可以用热阻串联公式表示，比如对于两层复合材料可以表示为：
其中，λ1、λ2分别表示两层材料的导热系数，δ1、δ2表示两层材料的厚度，λ和δ分别表示复合材料的整体平均导热系数和整体厚度；
上述公式的前提是，各层材料之间的导热系数差异不大（ISO8302中给出垂直方向和水平方向的差异不能超过2倍），否则材料本身较大的各向异性将产生较大的测量误差。

基于瞬态热线法的TC3000系列导热系数仪在测量材料的导热系数过程中，对样品要求较低，加热功率很小，几秒钟内获得数据，不会破坏试验样品的基本状态，除获得多层样品整体平均导热系数外，还可以对某些双层样品分别获得各自的导热系数，具有明显的测量研究优势。

利用TC3010对某玻璃钢复合样品的导热系数进行研究，该样品由玻璃钢基体和保护涂层组成，如下图示意；
图1玻璃钢基体多层复合材料
对玻璃钢、保护涂层、整体的导热系数分别进行了测试，测试结果见表1。

同时，根据两层的测量结果和上式对整体材料的导热系数进行了计算，根据公式和各层的直接测量结果计算得到的整体复合材料的平均导热系数为0.2839W/(m·K)；可以看到测试结果与理论计算值的偏差为0.39%，说明测试结果具有较高的准确度。

表1. 玻璃钢复合样品的各层及整体平均导热系数
更多关于瞬态热线法和仪器设备的介绍，详见固体导热系数仪。