碳纤维复合材料导热系数

高导热环氧树脂及碳纤维增强复合材料的制备与性能研究郑欣;刘荣海;初德胜;胡发平;曾昌毅;许培俊
【期刊名称】《当代化工研究》
【年(卷),期】2022()24
【摘要】本文采用导热石墨片(TCGS)制备高导热环氧树脂(EP),并研究其与三种胺类固化剂(3,3-二甲基-4,4-二氨基二环己基甲烷(DMDC),二氨基二苯甲烷(DDM),二氨基二苯砜(DDS))的固化反应,通过动态热机械分析和力学性能测试,优化了各种树脂体系的耐热性能和力学性能,使得DDS/EP/TCGS树脂浇铸体的最大弯曲强度达到了107.9MPa,玻璃化转变温度达到169℃,在120℃时的凝胶时间达到107min,具有良好的预浸料制备工艺性;以激光闪射法测得三种固化体系(DMDC、DDM、DDS)的导热系数分别为1.276W/(m·K),1.311W/(m·K),1.226W/(m·K);其碳纤维增强复合材料同样具有较好的力学性能和横向导热性能。

【总页数】3页(P73-75)
【作者】郑欣;刘荣海;初德胜;胡发平;曾昌毅;许培俊
【作者单位】云南电网有限责任公司电力科学研究院;长安大学材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB33
【相关文献】
1.导热玻璃纤维布增强环氧树脂复合材料的制备及性能
2.碳纤维@石墨烯/环氧树脂复合材料的制备和导热性能研究
3.高导热沥青基碳纤维/环氧树脂复合材料的制备及导热性能研究
4.高导热聚酰亚胺石墨膜/环氧树脂复合材料的制备与性能表征
5.一种连续高导热沥青基碳纤维增强环氧树脂复合材料及其制备方法
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碳纤维复合材料负的热膨胀系数的优点1. 引言1.1 介绍碳纤维复合材料碳纤维复合材料是一种由碳纤维和树脂等基质材料混合而成的新型复合材料，具有轻质、高强度、耐高温、耐腐蚀等优点。

碳纤维是一种具有优异力学性能的纤维材料，其比强度和刚度都远高于传统的金属材料。

树脂在碳纤维复合材料中起到粘结作用，使碳纤维之间能够协同工作，形成整体性能更为优越的复合材料结构。

碳纤维复合材料广泛应用于航空航天、汽车工业、体育器材、建筑工程等领域，成为现代工程材料中的重要组成部分。

随着科技的进步，碳纤维复合材料的研究和应用越来越深入，不断推动着各行业的创新发展。

在未来的发展中，碳纤维复合材料将继续发挥重要作用，为人类社会的进步做出更大贡献。

1.2 热膨胀系数的概念热膨胀系数是物体随温度变化而引起尺寸变化的一个物理量。

一般来说，温度升高时，物体将膨胀；温度下降时，物体将收缩。

热膨胀系数是反映物体热膨胀性质的重要参数，通常用α来表示。

热膨胀系数的单位是℃-1，表示每度温度升高时物体在长度、面积或体积方向上的增加量。

在热膨胀系数为负的情况下，这意味着当温度升高时，物体不会膨胀，反而会收缩。

这种特殊的性质在某些特定的应用领域中具有重要的意义，尤其是在高精度、高稳定性要求的工程和科学领域中。

通过利用具有负热膨胀系数的材料，可以有效地抵消其他材料在温度变化过程中所引起的热膨胀问题，从而提高系统的稳定性和精度。

这也为碳纤维复合材料在一些特殊场合下的应用提供了新的可能性。

【这段内容共193字】2. 正文2.1 碳纤维复合材料的优势1. 高强度与低密度：碳纤维具有非常高的强度和刚度，是钢铁的几倍甚至几十倍，同时它的密度很低，比铝轻，这就使碳纤维成为一种理想的轻量化材料。

2. 良好的耐腐蚀性：碳纤维具有良好的抗腐蚀性能，可以在恶劣的工作环境下长期使用而不会受到腐蚀的影响。

3. 优异的疲劳性能：碳纤维具有很好的疲劳寿命，不容易断裂，能够在长时间内保持稳定的性能。

碳纤维复合材料导热系数简介碳纤维复合材料是一种由碳纤维和树脂基体组成的复合材料。

它具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域。

其中一个重要的性能参数就是导热系数，它对于材料在热传导过程中的表现起着关键作用。

导热系数的定义和意义导热系数（thermal conductivity）是指单位时间内单位面积上温度梯度单位长度所传递的热量。

它反映了材料在温度差条件下传递热量的能力，通常用符号λ表示。

碳纤维复合材料的导热系数决定了其在高温条件下的应用性能。

较低的导热系数意味着该材料具有较好的隔热性能，可以有效地防止热量传递，从而保护其他部件免受高温损伤。

而较高的导热系数则表明该材料具有良好的导热性能，可以快速传递热量，使其在散热和导电方面具有优势。

影响导热系数的因素纤维类型和取向碳纤维是碳元素的一种高强度纤维，具有优异的导热性能。

不同类型的碳纤维具有不同的导热系数。

常见的碳纤维类型包括PAN（聚丙烯腈）基碳纤维和高模量（HM）基碳纤维等。

此外，纤维取向也会对导热系数产生影响，通常情况下，与传热方向平行的取向会导致较高的导热系数。

树脂基体树脂基体是碳纤维复合材料中起到粘结作用的部分。

不同种类的树脂基体具有不同的导热性能。

一些树脂具有较低的导热系数，可以减少传递到复合材料中的热量；而另一些树脂则具有较高的导热系数，可以加快传递到复合材料中的热量。

纤维体积分数纤维体积分数是指碳纤维在复合材料中的体积占比。

较高的纤维体积分数通常意味着更多的碳纤维，从而导致较高的导热系数。

界面碳纤维和树脂基体之间的界面也会对导热系数产生影响。

一个良好的界面能够提高导热性能，而一个较差的界面则可能导致传热阻力增加，降低导热系数。

导热系数测量方法测量碳纤维复合材料导热系数的常用方法包括稳态法和非稳态法。

稳态法稳态法是通过测量样品两侧温度差来计算导热系数。

该方法需要将样品加热到一定温度后保持稳定状态，然后测量样品两侧温度差，并根据传热方程计算导热系数。

碳纤维增强陶器基复合材料性能实验表征【引言】碳纤维增强陶器基复合材料具有轻质、高强度、高硬度、抗磨损、耐高温等优异的性能，因此在航空航天、汽车工业、船舶制造等领域有着广泛的应用。

为了更好地了解和掌握碳纤维增强陶器基复合材料的性能特点，对其进行实验表征是十分必要的。

本文将从力学性能、热稳定性、耐磨性和导热性能四个方面进行详细的介绍和分析。

【力学性能表征】碳纤维增强陶器基复合材料的力学性能包括弹性模量、抗拉强度、屈服强度和断裂韧性等指标。

通过拉伸试验和弯曲试验可以得到这些指标。

实验结果显示，碳纤维增强陶器基复合材料具有较高的弹性模量和抗拉强度，同时具有良好的断裂韧性，这使得该材料在工程结构领域具有较大的应用潜力。

【热稳定性表征】热稳定性是碳纤维增强陶器基复合材料的关键性能之一。

提高材料的热稳定性能可以增加其在高温环境下的使用范围。

实验研究表明，碳纤维增强陶器基复合材料在高温下仍然能够保持结构的完整性和性能的稳定性。

这得益于碳纤维和陶瓷基质的互补作用，碳纤维能够抵抗高温氧化和热膨胀，而陶瓷基质能够提供良好的耐热性能。

【耐磨性表征】耐磨性是评价碳纤维增强陶器基复合材料耐用性的重要指标之一。

实验表征耐磨性的常用方法包括滑动磨损试验和径向磨损试验等。

研究表明，碳纤维增强陶器基复合材料具有较好的耐磨性能，能够有效抵抗外界因素对材料表面的磨损。

这使得该材料在摩擦材料、切削工具等领域有着广泛的应用前景。

【导热性能表征】导热性能是碳纤维增强陶器基复合材料的重要性能之一，对于高温、高速工况下的工程应用至关重要。

实验测试可以得到材料的导热系数和热扩散系数等性能指标。

研究结果表明，碳纤维增强陶器基复合材料具有良好的导热性能，能够快速地传导热量，并且具备较低的热膨胀系数，这使得该材料在高温环境下具有较强的稳定性。

【总结】碳纤维增强陶器基复合材料具有出色的力学性能、热稳定性、耐磨性和导热性能。

在实验表征过程中，通过拉伸试验、弯曲试验、滑动磨损试验、径向磨损试验、导热系数测试等多种测试方法，可以准确地了解和评估碳纤维增强陶器基复合材料的性能特点。

碳纤维复合材料的介绍
碳纤维复合材料是一种由碳纤维和树脂基体组成的高强度、轻质材料。

它具有优异的力学性能和化学稳定性，被广泛应用于航空航天、汽车、体育器材和建筑等领域。

碳纤维是由纯碳纤维束或纤维织物制成的，具有高强度和高刚度的特点。

这些纤维通过树脂基体进行粘结，形成了复合材料的结构。

常用的树脂基体包括环氧树脂、聚酰亚胺和酚醛等。

碳纤维复合材料具有以下优点：
1. 高强度和刚度：相比传统材料如钢铁和铝合金，碳纤维复合材料具有更高的强度和刚度。

2. 轻质：碳纤维复合材料的密度较低，比重轻，可以减轻结构负荷和提高运行效率。

3. 耐腐蚀性：碳纤维本身不易受到腐蚀，使得复合材料在恶劣环境中具有较好的耐久性。

4. 良好的热导性：碳纤维具有良好的热导性，可以有效分散和传导热量。

5. 设计自由度高：碳纤维复合材料可根据需要进行定制设计，形成各种复杂形状和结构。

然而，碳纤维复合材料也存在一些挑战：
1. 成本高：相对于传统材料，碳纤维复合材料的制造成本较高，限制了其在某些领域的广泛应用。

2. 易受冲击破坏：碳纤维复合材料对冲击和撞击容易产生损伤，需要采取适当的保护和维修措施。

3. 可回收性有限：由于复合材料中纤维与树脂的组合结构，碳纤维复合材料的回收和再利用相对困难。

尽管面临一些挑战，碳纤维复合材料的优异性能使其成为许多行业追求轻量化、强度高的理想选择，同时也促进了材料科学和工程领域的进步与创新。

用物理学知识解释碳纤维材料制作车架可以减轻车身重量的原理全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：碳纤维材料是一种轻质、高强度的材料，因此在汽车制造中被广泛应用，尤其在车架制作中起到了重要的作用。

通过物理学知识我们可以解释碳纤维材料制作车架可以减轻车身重量的原理，下面我们来详细讨论这个问题。

我们了解一下碳纤维材料的物理性质。

碳纤维是一种由碳元素组成的纤维，具有非常高的比强度和弹性模量。

比强度指的是材料单位质量所能承受的最大拉伸应力，而弹性模量则表示材料的刚度和弹性。

碳纤维的高比强度和弹性模量使其成为一种理想的车身材料。

使用碳纤维材料制作车架的主要原理在于其轻质高强的特性。

相比传统的金属材料，如钢铁和铝合金，碳纤维的密度更低，因此可以在保持强度的同时减轻车身重量。

车架的重量直接影响到汽车的动力性能和燃油效率，因此采用碳纤维材料可以帮助改善汽车的整体性能。

除了轻质的特性，碳纤维材料还具有优异的抗腐蚀性和耐久性。

汽车在使用过程中会受到风吹雨打，如果采用金属材料可能出现生锈和腐蚀的情况，而碳纤维可以很好地抵抗这些自然环境的影响。

碳纤维还具有良好的抗疲劳性能，可以确保车架在长时间使用过程中不会出现损坏和断裂。

在车架制作过程中，碳纤维材料通常采用复合材料的形式。

复合材料是一种由多种材料组合而成的新型材料，具有综合性能优异的特点。

碳纤维与树脂之间形成的复合结构，可以提高车架的强度和刚度，同时降低整体重量。

通过合理设计和制造工艺，可以确保碳纤维车架具有足够的承载能力和抗冲击性。

碳纤维材料还具有良好的成型性能，可以根据车架的设计要求进行复杂形状的制作。

传统金属材料可能需要焊接和加工，而碳纤维则可以通过模具成型和热压工艺来实现。

这种灵活的制造方式使得碳纤维材料在车架制作中具有很大的优势。

用物理学知识解释碳纤维材料制作车架可以减轻车身重量的原理主要是基于碳纤维的轻质高强特性。

通过合理设计和制造工艺，碳纤维车架可以实现减重、增强和耐久的效果，从而提高汽车的性能和经济性。

碳纤维复合材料介绍碳纤维复合材料是一种由碳纤维和基体材料组成的新型材料。

碳纤维是一种由碳元素纤维构成的轻质、高强度材料，而基体材料可以是树脂、金属、陶瓷等。

碳纤维复合材料具有优异的性能，并在航空航天、汽车制造、体育器材等领域得到广泛应用。

首先，碳纤维复合材料具有出色的强度和刚度。

碳纤维本身具有极高的强度和刚度，其比强度和比刚度分别是金属的数倍，比玻璃纤维的数十倍。

而通过将碳纤维与基体材料复合，可以进一步提高强度和刚度。

这使得碳纤维复合材料成为一种轻质、高强度的材料选择，适用于许多领域。

其次，碳纤维复合材料具有优异的耐腐蚀性能。

与金属相比，碳纤维复合材料不容易受到一般酸、碱等腐蚀物质的侵蚀。

这使得碳纤维复合材料在一些腐蚀环境下具有广泛应用的潜力，例如船舶、化工管道等领域。

此外，碳纤维复合材料还具有极好的疲劳性能。

由于碳纤维自身的高强度和高刚度，以及碳纤维与基体材料之间的良好结合，碳纤维复合材料具有优异的耐疲劳性能。

这意味着碳纤维复合材料在高强度、高应变条件下仍然能够保持材料的性能，延长了材料的使用寿命。

另外，碳纤维复合材料的导热性能也值得关注。

尽管碳纤维本身具有较低的导热性，但在一些情况下可以通过添加导热剂来改善导热性能。

这使得碳纤维复合材料能够用于高温环境下的应用，如航空发动机燃烧室、航天器耐热外壳等。

此外，碳纤维复合材料还具有良好的绝缘性能和抗磨损性能。

由于碳纤维复合材料的基体材料可以选择具有良好绝缘性能和抗磨损性能的材料制成，使得碳纤维复合材料在电气工程和机械工程中得到广泛应用。

总之，碳纤维复合材料是一种具有优异性能的新型材料。

它具有高强度、高刚度、耐腐蚀、耐疲劳、导热性能好、绝缘性能好和抗磨损等特点，适用于航空航天、汽车制造、体育器材等众多领域。

随着科学技术的不断发展，碳纤维复合材料的应用前景将会更加广阔。

碳纤维及其复合材料发展现状摘要：当今国际复合材料产业规模不断扩大，未来五年，来自高端企业的先进复合材料将以每年5%的速度增长。

因此，随着民营和汽车行业的快速发展，全球高碳地区的年需求增长可达10%，亚太地区的增长将继续加速。

在我国的碳纤维生产线上，碳纤维设备将比碳纤维复合材料更快被进口产品取代。

碳纤维复合材料在海洋工程、航空航天、汽车等领域具有良好的应用前景，但随着碳纤维复合材料的价格不断下降，碳纤维复合材料的应用会越来越多。

本文介绍了我国碳纤维及其复合材料的发展现状和应用。

关键词：碳纤维；复合材料；现状；应用引言随着我国整个经济的快速发展，现阶段碳纤维制造技术也在不断创新和完善，目前该领域发展稳定，有可能以更低的成本生产出更高质量的碳纤维复合材料。

碳纤维复合材料具有高强度、高弹性模量、耐高温、耐腐蚀等特点，并具有许多物理和化学优点，因此在我国广泛应用于各行业的生产和制备领域。

本文以碳纤维复合材料为研究课题，分析了碳纤维复合材料的性能，探索了碳纤维复合材料的应用路径。

1.碳纤维复合材料的性能由于碳纤维是一种以碳元素为主要成分的特殊纤维，采用含碳量高的人造化学纤维制成，经热稳定氧化处理、碳化处理、石墨化处理，使其在热处理过程中不会熔化，碳含量取决于类型，通常大于90%。

碳纤维具有一般碳材料的耐热性、耐磨性、导电性、导热性、耐腐蚀性等特性，但与一般碳材料不同，在形状、柔软性、加工性、沿纤维轴的高强度等方面表现出显着的各向异性，而且碳纤维比重小。

1.1 碳纤维的化学性质碳纤维是一种纤维状碳材料。

众所周知，碳材料是化学稳定性优异的材料之一，这是人类历史上最早发现的碳材料特征之一。

除强氧化性酸等特殊物质外，在室温和近压下几乎呈化学惰性。

即使碳纤维在低于室温250℃的环境下使用时，很难观察到碳纤维的化学变化。

据有关资料显示，在碳材料的化学特征中，在低于250℃的环境中，碳材料没有明显的氧化，也没有形成碳化物和层间化合物。

碳纤维复合材料在船舶市场的应用摘要：随着我国科学技术的飞速发展，碳纤维复合材料在海洋船舶中的应用非常广泛，这主要得益于它所特有的优异性能，尤其是在海水环境中所表现出来的优异性能。

采用复合材料设计制造船舶可以实现高航速、低排放、远续航、长寿命、优异舒适性的设计理念，已经成为现代造船的理想材料。

基于此，本文首先对碳纤维复合材料的性能进行了概述，详细探讨了碳纤维复合材料在船舶市场的应用现状，旨在促进船舶业的快速发展。

关键词：碳纤维复合材料；船舶市场；应用碳纤维（Carbon fiber）是一种纤维状碳材料。

它具有强度比钢的还大、密度比铝的还小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、热膨胀系数小、导电性像金属、可吸收冲击能量等很多宝贵的电学、热学以及力学性能，是一种高科技的新型材料。

近年来，在船舶市场得到了广泛的应用。

1 碳纤维复合材料的性能碳纤维复合材料因具有如下的优异性能而成为船艇工业不可缺少的重要材料。

1.1耐腐蚀船艇长年航行在江河湖泊、大洋深海之中，日晒雨淋，水泡盐蚀，工作环境十分恶劣，因此要求建造船艇的材料耐水、耐盐雾、耐腐蚀、耐环境老化、抗水生物附生。

木材长期浸泡在水中会腐烂，钢铁经海水腐蚀要生锈，而复合材料只要配方设计合理，工艺优化，可耐酸、耐碱、耐海水浸蚀，水生物也难以附生，是船艇建造的理想材料。

用碳纤维复合材料制造的渔船不但降低自重，提高船速，节约能耗，而且因耐海水性好，大大提高了使用寿命，经济效益明显。

1.2优良的声、磁、电性能碳纤维复合材料透波、透声性好，无磁性，介电性能优良，适宜作舰艇的功能结构材料。

船艇依靠声纳在海上定位、测距、发现目标，作为声纳设备保护装置的声纳导流罩，其材料要求透声波性好，声波的失真畸变小。

特性阻抗是表征透声性能的重要参数，材料的特性阻抗与海水越接近，越适宜作舰艇的声纳导流罩。

传统不锈钢声纳导流罩的特性阻抗大，已遭淘汰。

复合材料以其优良的透声性能而成为声纳导流罩的首选材料。

碳纤维复合材料电导率-温度特性测量及其在预测雷击热效应中的应用郭一帆;付尚琛;赵辉;孙征;戴振华【摘要】飞机的碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)蒙皮在遭受雷击时将经受急剧的温升效应,对材料电导率造成重要影响,而这一影响又反作用于焦耳热产生过程.文章通过直接加热和电加热两类实验分别测量了ZT7H/5229D碳纤维/树脂层合板在升降温过程中的电导率温度特性;开展了脉冲大电流试验,测量了模拟雷击情况下材料表面的瞬时温度.将实测的电导率温度参数应用到仿真模型中,仿真分析了脉冲注入实验的瞬时温度,结果表明:两类实验的电导率温度特性有着良好的一致性,CFRP在升降温过程中的回滞环现象、热解及基体热固性变化,会影响加温前后及升降温过程中的电导率;基于实验测量规律的仿真模型能够更准确预测雷电流注入时CFRP的温度场.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2019(034)004【总页数】8页(P408-415)【关键词】碳纤维复合材料;电导率;雷击;瞬时温度;损伤效应【作者】郭一帆;付尚琛;赵辉;孙征;戴振华【作者单位】陆军工程大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,南京210007;78118部队,成都610057;陆军工程大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,南京210007;78118部队,成都610057;陆军工程大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,南京210007;78118部队,成都610057【正文语种】中文【中图分类】O441.6引言碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)因其良好的力学性能被广泛应用于航空航天领域. 但由于CFRP材料的导电性远低于金属组件,在遭受雷击时更易形成电流聚集,产生的巨大焦耳热严重损坏材料结构,从而影响飞行安全[1]. 雷电流的最大峰值可达200 kA,未进行防护的CFRP板件在遭受雷击时将产生严重的破坏效应,即使是经过雷电防护的材料,也会因金属及其他材料散流时的焦耳热效应经受剧烈的温升,引起材料电导率的显著变化[2].为研究雷击时复合材料的损伤机理,模拟雷电流注入CFRP材料的实验被广泛的开展[3-5]. Yoshiyasu Hirano等人[3]通过自制的脉冲电流发生器,运用X扫描、超声检测对损伤情况进行评估,发现材料的树脂热解、纤维断裂和板件内部分层等损伤主要受到各向异性的导电性能和雷电参数的影响,说明电导率随温度的变化特性(电导率温度特性)对于研究CFRP材料的雷击损伤具有重要的作用. 文献[5]则指出分层损伤区域和雷电流能量具有很强的相关性,证明复合材料受到雷击时,由焦耳热产生的高温是材料内部损伤的主要原因.在实验研究的基础上,热电耦合仿真分析方法被用于评估雷电流热效应对材料的影响[6-9]. Abdelal等人[7]假定了不同的电导率-温度关系,分析其对雷电流作用效应的影响. 王富生等人[9]通过热-电-结构耦合分析和变量控制的方法,对复合材料层合板在雷击烧蚀后的剩余强度进行了全局预测. 仿真结果表明,CFRP材料的电性能会明显影响分析的结果.从以上文献可以看出,在CFRP材料的雷击损伤研究中,无论是实验测量还是仿真分析,都体现了实测CFRP材料的电导率温度特性的重要意义.在非雷击情况下,已有不少关于环境温升时电导率温度特性的研究[10-13],结果表明电导率呈现正温度效应(positive temperature conductivity coefficient, PTCC)和负温度效应(negative temperature conductivity coefficient, NTCC),这种独特的变化机制主要源于温升时碳纤维丝束和树脂基体的综合作用. SHEN L等人[10]还发现CFRP材料在热循环过程中电导率随温度变化的回滞环. 但是,环境温升实验并没有将CFRP加热到足以发生热解损伤的温度(250 ℃以上). 在对CFRP材料的直流通电研究中[14-16],多数学者主要关注通电引起的温度和损伤效应,而很少研究电导率随温度的变化. 至于模拟雷击时CFRP材料电导率和温度的变化,以往受限于测量手段,还未见相关测量研究的报道.本文目标是研究直接加热与电加热获得的电导率-温度规律的一致性,探索该规律用于预测雷电流冲击作用下温度场的方法,通过新型瞬态温度传感器实测模拟雷击下的温度曲线,评估预测效果.1 试件准备为便于对CFRP材料各向异性特性的描述,实验中使用[0]16单向铺层的ZT7H/5229D 碳纤维/树脂复合材料,厚度为2.5 mm. 在直接加热实验和通电加热实验中,将材料规则地切成45 mm长宽的正方形,通过涂抹银胶的方法,沿纤维、垂直纤维和厚度方向设置对应方向的电极如图1所示. 在脉冲大电流注入实验中,试件为300 mm×300 mm的尺寸,示意图如图2所示,蓝色区域表示CFRP材料,灰色区域表示银胶.图1 用于电导率测量的试件实物图Fig.1 The specimens for electrical conductivity measurement(a) 沿厚度方向 (a) Sample for the thickness direction measurement(b) 沿垂直纤维方向 (b) Sample for the transverse direction measurement(c) 沿纤维方向 (c) Sample for the longitudinal direction measurement图2 试件示意图Fig.2 Illustration of the specimens2 直接加热下电导率的测量实验2.1 实验设置在初步的研究中,树脂的热解温度在220 ℃至280 ℃. 因此,在直接加热实验中,为使树脂发生热解,试件被加热至280 ℃.实验平台示意图如图3所示. 使用热风枪加热试件,当达到目标温度时立即停止加热,开始自然降温至室温，随后用阻抗分析仪测量整个升降温过程中(简称热循环)试件沿每个方向的电阻. 在加热开始前,测量试件在室温下的初始电阻. 电导率的计算如式(1)所示:(1)式中:R代表试件电阻;L代表试件沿测量方向上的长度;A代表横截面积.为了更具体地表示电导率的变化,定义电导率变化率σr为(2)式中，σm表示在室温下两次测量的初始电导率的平均值.图3 直接加热实验设置图Fig.3 Experimental setup for direct heating test 2.2 结果和讨论CFRP试件的电导率变化如图4所示. 黑线、蓝线和红线分别表示沿厚度、纤维和垂直纤维方向的电导率测量结果. 箭头指示了升降温的方向. 材料沿纤维、垂直纤维和厚度方向的平均初始电导率σm分别为8 000、5.35和0.495 S/m.当温度在80 ℃至220 ℃时,沿垂直纤维呈现明显的NTCC效应(负温度效应);沿纤维方向的电导率变化规律相反,呈现PTCC效应(正温度效应). 当温度在220 ℃至280 ℃时,沿三个方向电导率出现了反向的变化. 在降温过程中,沿三个方向的结果呈现NTCC效应. 升温与降温过程的电导率温度特性曲线并不沿着同一路径,呈现回滞环现象.为了解释上述现象,对CFRP试件进行了扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)扫描,得到材料的内部微观结构,如图5所示. 从微观图中可见复合材料中存在两类结构:一类是断裂的纤维,这类纤维容易在基体熔融(树脂基体在80 ℃开始熔融)时开始移动,形成新的导电网络;另一类是由相邻纤维的接触点所形成的导电网络.沿纤维方向的电导率温度特性在温度升至220 ℃期间,树脂基体在80 ℃时开始熔融,导致内部断裂的碳纤维发生移动,向着连续的碳纤维附聚,从而增强了导电性. 当温度进一步被加热到280 ℃时,由于树脂的热解,在220 ℃之前形成的附聚物因失去了基体的支撑而分开,附聚结构遭到破坏,从而电导率减小,呈现NTCC效应.在降温过程中,沿各个方向的电导率均随着温度降低而增大,意味着基体的收缩让材料内部形成了更多的导电网络.由于基体在降温时的收缩速率低于升温时的膨胀速率,导致相同温度下电导率的差异. 并且由于树脂的热固性,导致CFRP在热循环后无法恢复到初始状态,最终电导率和初始电导率不一致,导致了回滞环现象.图4 沿各个方向的电导率的变化率随温度变化曲线Fig.4 Conductivity change rate with elevated temperature in thickness, fiber and transverse directions图5 沿纤维方向的500倍SEM扫描图像Fig.5 SEM photomicrographs in longitudinal direction at 500 times of magnification3 加热下电导率的测量实验3.1 实验设置在通电加热实验中,温度的测量方法与直接加热实验相同. 通电升温时,用直流源对沿纤维和垂直纤维方向的试件分别通入20 A和1 A的电流,用Tektronix 3024型示波器测量电压,根据式R=U/I得到电阻再转为电导率. 在断电降温阶段,使用阻抗分析仪测量试件电导率. 实验示意图如图6所示.图6 加热实验设置示意图Fig.6 Experimental setup for the direct current heating test3.2 结果和讨论将测量的电导率温度特性与直接加热实验测得的结果比较,如图7所示. 由于升降温转换时改变了测量设备,因此通电加热实验的数据存在一段空档. 材料沿纤维和垂直纤维的平均初始电导率σr分别为8 000和5.35 S/m.由图7可知,两类实验测得的电导率温度特性有着良好的一致性,但通电加热实验电导率曲线的第二次转变温度高于直接加热实验,且最大变化率多了10%,这是因为直接加热实验中温度的测量点在加热点的反面,而通电加热实验中,温度是由于焦耳热作用于试件而产生,温度分布更均匀,产生的电导率变化更大,测量的温度更高.(a) 沿垂直纤维方向 (a) The transverse direction(b) 沿纤维方向 (b)The longitudinal direction图7 直接加热与加热试验中电导率变化率随温度变化的曲线对比Fig.7 Comparision of conductivity change rate with elevated temperature between direct heating and direct current heating experiments4 脉冲大电流注入实验4.1 实验设置采用图8所示的冲击电流发生装置作为激励源来产生8/20 μs模拟雷电流. 由于10～50 kA的模拟雷电流注入复合材料后可以观察到明显的损伤,因此,选择峰值为30 kA的负极性脉冲进行试验. 试验中使用测温范围为500～2 000 ℃的光纤测温传感器来测量瞬时温度.图8 模拟雷电流试验平台Fig.8 The artificial lightning strike test platform 4.2 结果和讨论对两组试件进行雷击试验,实验结果如图9所示. 在测试过程中,试件沿纤维方向的两侧被接地,以确保脉冲电流的传导. 除了雷电流注入的位置外,在损伤区域附近(0, 1)cm的位置,还可以清楚地观察到沿纤维方向延伸的裂痕. 因此,尽管在测量点周围没有可见的损伤,但其温度的变化也应该是非常剧烈的.两组雷击试验中测量的温度波形如图9(b)所示. 两个温度波形体现出了良好的一致性. 持续时间均是800 μs,温度从500 ℃上升到峰值的时间均为50 μs,降回500 ℃的时间均为750 μs.当温度低于700 ℃时,温度的下降速率突然减小. 图9(b)中的两组雷击试验的温度峰值和波形的微小差异可能是由于试件或装置本身引起的,这意味着需要进一步验证和改进测试设备.由图9(b)可知,温度的上升过程对应电流的持续时间,说明温升主要受电流作用积分的影响. 但由于电流的持续时间较短,并且沿垂直纤维方向的电导率较低,在测温点的位置温度只能升至约1 100 ℃,远低于碳纤维的升华温度(约3 316 ℃),因此图9(a)中的温度测量点没有出现可见损伤.温度的降低主要是由于试件与空气间的热对流,所以该过程比较缓慢. 并且,随着试件与周围环境的温差越来越小,对流将变得越来越困难,从而使得温度降低速率逐渐变缓.(a) 试件损伤区域 (a) Damage region of the specimen(b) 测量的温度波形 (b) temperature measurement result图9 雷击试验结果Fig.9 Result of artificial lightning strike experiment5 引入实测电导率温度特性的电热耦合分析5.1 模型建立使用ABAQUS 6.14,按实验的设置进行建模. 根据铜制电极的尺寸,模型中心半径10 mm的圆形区域被设置为载荷区,载入与试验相同的脉冲电流波形,模型的边界条件也与实验设置一致,接地两端电势为0. 仿真模型如图10所示. 仿真选用的有限元单元类型为ABAQUS自带的电热耦合单元DC3D8E.图10 脉冲大电流注入实验对应的仿真模型Fig.10 The interaction model for analysis仿真分析分为两个主要步骤:第一步是脉冲电流注入时的热电耦合分析;第二步是在脉冲电流注入后的自然降温分析.在3.2和4.2节测得的电导率温度特性被用到仿真模型中,具体数值如表1所示. 在280 ℃之前的结果由实验直接获得,之后的结果则进行了趋势预测,沿纤维方向的电导率在280～500 ℃缓慢减小,而另外两个方向按其变化率顺推得到. 由于树脂在500 ℃完全热解,在500 ℃之后,沿垂直纤维和厚度方向的电导率被定为常量. 直到温度超过3 316 ℃后,碳纤维升华,导致沿厚度方向电流直接透过升华区域向下层传导,此时沿厚度方向的电导率将变得很大. 材料的热导率、比热及密度随温度变化后对于仿真结果影响较小[17],因此仿真中采用常温下的数值,如表2所示.表1 实测的CFRP电导率-温度特性参数Tab.1 Measured temperature-dependent conductivity温度/°C沿纤维方向/(S·m-1)沿垂直纤维方向/(S·m-1)沿厚度方向/(S·m-1) 25.08 0005.350.495 72.88 0005.350.495 110.47 8415.500.549 147.98 8005.000.499 182.19 8283.960.419 206.8101003.450.375 222.59 7413.050.305 243.59 4562.650.264 263.688242.350.245 276.28 7181.890.197 307.48 7182.870.386 350.086003.500.500 400.08 50010.002.000 500.08 30050.005.000 3 316.0830050.00100.000 > 3 316.01010.001×109表2 CFRP材料的各项参数Tab.2 Material properties of CFRP方向热导率/(W/m·K-1)比热/(J·kg-1)密度/(kg·m-3) 沿纤维11.81 0651 600 沿垂直纤维0.6091 0651 600 沿厚度0.6091 0651 6005.2 结果和讨论在模拟雷击过程中,最后时刻的温度场如图11所示. 根据文献[5]中的仿真分析结果,温度场超过一定阈值可以表征各层的损伤区域. 对于内层,阈值通常是树脂基体的热解温度;而对于顶层,焦耳热主要作用于碳纤维,因此阈值是碳纤维的升华温度,为3 316 ℃. 图11中的灰色区域实际上显示了焦耳热效应造成的损伤区域,与实验的损伤范围相同. 然而,由于冲击波效应在外部损伤的形成中起着重要的作用,单纯的电热耦合数值分析所产生的温度分布不能完全反映顶层的损伤程度.与实测点在相同位置的数值预测温度变化如图12所示.虽然最大温度稍低,但波形与图9(b)中的实验结果一致性较好. 整个过程持续时间约为800 μs,温度从500 ℃升高到峰值再降低到500 ℃的时间分别为50 μs和750 μs. 此外,700 ℃后的降温速率开始减缓,这与实验结果一致. 证明了引入电导率温度特性的模型有效性,也说明在直接加热和通电加热实验测得的电导率温度特性可以用于雷击的情况.图11 雷击注入最后时刻的顶层温度场Fig.11 Temperature profile of top lamina at the end of analysis step-1图12 实测点位置的仿真温度变化曲线Fig.12 Temperature variation obtained from simulation6 结论1) 搭建了直接加热实验和通电加热实验平台,测得的电导率温度特性可应用于雷电流注入CFRP板件的情况,大大降低了获取雷击下CFRP电导率温度特性的难度.2) 两类实验得到的电导率温度特性具有良好的一致性,说明在环境温升和通电致热的情况下,CFRP电导率的变化是内部碳纤维和树脂共同作用的结果.3) 采用的光纤测温传感器,因其较高的采样率,能够测得雷击时的瞬时温度.4) 引入电导率温度特性的仿真模型,能有效预测雷击时CFRP板件的损伤程度和范围.参考文献【相关文献】[1] DONG Q, GUO Y, CHEN J, et al. 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碳纤维复合材料调研报告碳纤维复合材料是一种重要的新型材料，具有高机械性能、低密度和良好的耐腐蚀性能等优点。

该材料已广泛应用于航空航天、汽车、体育用品等领域。

本文主要对碳纤维复合材料的制备、性能表现和应用领域进行了探讨，并对其未来的发展趋势进行了分析。

碳纤维复合材料的制备技术主要包括手工层压、自动化层压、注塑成型、纺织法、树脂浸渍法等多种工艺。

手工层压是一种传统的制备方法，其优点是成本低、成型灵活性好，但是其制备效率和一致性较低。

自动化层压是一种高效的制备方法，但其成本较高。

注塑成型技术可以制备复杂的形状和结构，但是成本也较高。

纺织法是一种比较常见的制备方法，用该方法制备的碳纤维组织结构均匀且稳定，但是其成型灵活性不如手工层压。

树脂浸渍法是制备复合材料的常见方法之一，其生产周期短，但需要控制好树脂浸渍的时间、温度、压力等参数，以保证制品质量。

二、碳纤维复合材料的性能表现碳纤维复合材料具有高机械性能、低密度和良好的耐腐蚀性能等优点。

为了更好地了解碳纤维复合材料的性能表现，本节将从其力学性能、导热性能和密度等方面进行分析。

1.力学性能碳纤维复合材料在强度和刚度方面表现出色，常用的强度指标有抗拉强度、抗压强度、弯曲强度等。

由于其性能表现优异，碳纤维复合材料已广泛应用于航空航天、汽车、体育用品等领域。

2.导热性能碳纤维复合材料的导热性能比较优良，其热导率和热膨胀系数与钢铁相当。

由于其导热性能稳定，碳纤维复合材料被广泛应用于高温环境下的工作场合。

3.密度碳纤维复合材料的密度远低于普通的金属材料，例如钢铁等，其密度约为钢铁的1/5。

由于其密度远低于普通金属材料，碳纤维复合材料具有重量轻、热膨胀系数低等特点，因此被广泛应用于高速运动领域。

1.航空航天领域碳纤维复合材料在航空航天领域的应用较为广泛，例如制作机翼、负载桁架、座椅结构等。

由于其性能表现优秀，因此能够极大地缩减飞机的自重，从而降低油耗和环境污染。

2.汽车领域碳纤维复合材料在汽车领域的应用也较为广泛，例如制作轮毂、车身和悬挂系统等。