基于碳纖維復合材料熱性能的研究進展綜述

龍巍，鄭學林，臧建彬

(1.上海海事大學 商船學院，上海 201306；2.同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804)

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

1 研究現狀

熱膨脹性能是一種熱-機械耦合的問題[11]。由于編織復合材料會因為其制造要求的問題產生不同的內部結構，其復雜程度則依靠所需性能應用于領域。在編制工藝過程中，碳纖維編織復合材料的內部結構往往比單個碳纖維更為復雜，則需要開發更適應于復雜結構的研究方法。Gou等[11]開發了一種多尺寸單元法來預測其有效熱膨脹系數，該方法是Gou在其文獻[10，12-14]中用來模擬熱傳導問題的。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合材料的熱機械性能進行分析研究，則是對熱膨脹行為的熱-機械耦合的闡述。

復合材料的傳熱效應會對其自身的一些熱機械性能造成影響，所以本文總結了復合材料導熱性能的相關研究。其中一些學者[19-26]進行大量的實驗以及數值模擬研究了碳纖維復合材料導熱性能。在數值模擬上，Jiang等[27]基于文獻[28]開發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的復合材料的導熱性能進行研究。而實驗部分，Dong等[19-21]則通過實驗來測定已知復合材料的導熱系數，將實驗數據與模擬數據進行對比，得出誤差范圍值。

本文介紹各種編織結構碳纖維復合材料的導熱性能和熱膨脹性能，對學者在這些方面的實驗方法以及數值模擬模型進行總結，對比分析各種編織結構碳纖維復合材料與導熱性能和熱膨脹性能之間的關系，然后對影響其導熱性能與熱膨脹性能的因素進行探討，分析得出某些碳纖維復合材料的編織結構偏向有益于導熱性能與熱膨脹性能的方向發展。最后，將對各種編織結構CFRC的潛在應用和未來發展前景進行闡述。

2 研究方法

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

2.1 實驗

2.1.1 導熱系數的實驗測定 導熱系數實驗室測定是基于傅里葉熱傳導定律，實驗測定熱導率的有兩種方法，即穩態法和瞬態法。相比于穩態法，瞬態法大大縮短了實驗測量所需的時間。Dong等[19-21]進行編織復合材料導熱系數測定的實驗，根據測試標準搭建實驗臺，然后測定編織復合材料的軸向和橫向的熱導率，再將實驗數據整理進行圖表可視化，可呈現出復合材料傳熱各向具有差異性的特征。通過對文獻[12，19-21]所進行的實驗內容進行總結，將其所研究的碳纖維和樹脂材料的熱物性參數見表1。

對于沿軸向方向的熱傳導計算，采用瞬態熱線法[30-31]：

(1)

沿橫向方向計算，則是使用瞬態平面源法[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 ℃)下的碳纖維和環氧樹脂的熱物性參數Table 1 Thermal properties of carbon fiber and epoxy resin at room temperature

2.1.2 熱膨脹系數(CTE)的實驗測定 由于復合材料中碳纖維內部編織結構過于復雜化，于此同時參與固化的基體材料由于其自身因素也會對復合材料的整體熱膨脹性有影響。熱膨脹系數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合材料在軸向和橫向方向的熱膨脹系數。根據實驗所測的數據，可由以下公式得出相關值。

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為系統補償值(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。

2.2 數值模擬方法

諸多文獻已經采用不同的研究方法建立了不同結構的復合材料的幾何模型來盡可能呈現出符合實際復合材料的內部結構，本文總結了編織復合材料的四種研究方法來進行闡述。有限元法是使用次數較多的數值計算方法之一，文獻[12，14，16，19-21，26-27，33-40]則對有限元法進行了應用，在有限元法的基礎上進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[29，41-43]闡述的格子Boltzmann法是善于處理一些傳統的流體流動的方法，該方法較于有限元法來說，能夠彌補其在熱接觸面處研究功能的短缺。文獻[10-11，13]和文獻[44]兩者則是對單元法和激光閃射法的應用，由于兩種方法其應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比較少，但如果能夠結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，也急需要開發一些新的研究方法，然后進行深入研究。表2是整理的數值模擬方法之間的對比。

表2 數值模擬方法之間的對比Table 2 Comparison between numerical simulation methods

3 碳纖維復合材料有效熱導率和熱膨脹系數的影響因素

3.1 影響復合材料有效熱導率(CTC)的因素

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

3.2 影響復合材料熱膨脹系數(CTE)的因素

由于編織復合材料在編織過程中會產生編織角以及孔隙率，受到此工藝過程的影響，碳纖維編織復合材料的內部結構往往比單個碳纖維更為復雜。在固化過程中，基體與碳纖維的結合，由于兩者會受到溫度的影響，也會直接影響到整體復合材料的熱膨脹行為。在某些應用領域會需要較低的熱膨脹系數的復合材料，則就需要獲得基體與碳纖維材料的性能參數，再進行調配結合比例得出合適的材料。

總結文獻[45]可以得出CTE與內部編織角的關系，增大內部編織角，編織復合材料的軸向CTE先減再增，橫向CTE先增再減。因此可以看出編織復合材料的CTE表現為各向差異性。

總結文獻[33]可以得出CTE與孔隙率的關系，孔隙率和單向纖維增強復合材料的線性CTE表現為相互逆向關系。

綜合以上幾點對編織復合材料CTC和CTE影響因素的分析，根據3.1節和3.2節可得出編織復合材料CTC和CTE具有一致的各向差異性，這表明編織復合材料的幾何結構對材料整體的CTC和CTE產生重要影響，如果編織復合材料需要偏向有益于CTC或者降低CTE的方向發展，可以基于這幾點影響因素或者另外可能的影響因素入手，盡量避免出現較多的異向性，或者還可以開發出更新的編織結構。而且，基體材料的選取也會影響到成品化編織復合材料的熱性能。文獻對于基體在編織復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可以達到提升編織復合材料的整體熱性能還有待進一步研究。

4 潛在應用

碳纖維復合材料是一種集聚了多種性能的潛力材料，比如，碳纖維復合材料有著輕量化的作用，在汽車工業方面，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，這將會為汽車行業帶來一次革新。在軍事方面，先進的無人機由于輕量化、長航程等技術要求，也迫切需要對自身減重。碳纖維復合材料具有可調控熱性能，如果將其與芯片結合，解決芯片相關熱問題，可能也會給芯片行業帶來曙光。它們還可以用于風電葉片、壓力容器以及土木建筑等。碳纖維復合材料作為一種有待繼續開發和拓展的潛力材料，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，至此還未大規模推行碳纖維復合材料在各行業中使用，不僅僅是因為其價格問題的使然，還有就是其生產的技術以及優化材料性能的技術未達到完全成熟的掌握。就目前來看，碳纖維地鐵已經推出，雖未正式的運營，但相信在未來不久，我們可能會看到碳纖維高鐵，在此基礎上還可以發展成真空管磁懸浮碳纖維高鐵。

5 結束語

對許多學者在碳纖維復合材料的研究現狀、方法以及各種性能研究進行了階段性的總結，并且他們還在繼續為碳纖維復合材料的再拓展研究。每篇文獻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構等等。碳纖維復合材料的性能(熱、電和機械性能等)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、纖維體積分數、內部編織角、孔隙率以及與基體的界面結合固化的影響；而基體，它的種類、結晶溫度和玻璃化轉變溫度也會對復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注的，通過優化的手段來避免這些不良因素的同時，應盡可能增強復合材料的熱、電和機械性能，在此基礎上再開發出其潛在的性能。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。