基于碳纤维复合材料热性能的研究进展综述

龙巍，郑学林，臧建彬

(1.上海海事大学 商船学院，上海 201306；2.同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804)

碳纤维复合材料(CFRC)是一种具有未来市场前景的新型复合材料，其拥有高强度、高韧性、高塑性和抗冲击性等优势性能[1-5]。复合材料广泛的应用于航空工业、生物医学等一些特殊高尖端领域外[5]，还可以应用在汽车工业[6]、轨道交通工业以及文体器械中。例如在轨道交通工业中，为了使车辆轻量化，一般复合材料也使用在列车的车头车身上[7-9]。由于碳纤维复合材料的可塑性好，根据需求的不同可将其制作成某些特定结构[9]，以上是对于成品化的CFRC具有轻量化等特点的简要描述。碳纤维复合材料可根据市场供需，经过特殊的生产工艺，其中包括碳纤维的编织加工，然后再与某种基体结合在一起加工，形成复合材料，而3D碳纤维复合材料也可以加工成3D四向甚至更多向的编织复合材料[10]。因此，有必要对碳纤维复合材料在不同的结构的导热性能以及热膨胀性能进行预测及研究。

1 研究现状

热膨胀性能是一种热-机械耦合的问题[11]。由于编织复合材料会因为其制造要求的问题产生不同的内部结构，其复杂程度则依靠所需性能应用于领域。在编制工艺过程中，碳纤维编织复合材料的内部结构往往比单个碳纤维更为复杂，则需要开发更适应于复杂结构的研究方法。Gou等[11]开发了一种多尺寸单元法来预测其有效热膨胀系数，该方法是Gou在其文献[10，12-14]中用来模拟热传导问题的。Dong等[15]则建立了一种双尺度有限元模型，来研究此类情况。而Shabana等[16]、Dasgupta等[17]和Nasution等[18]都提出了采用均匀化方法对复合材料的热机械性能进行分析研究，则是对热膨胀行为的热-机械耦合的阐述。

复合材料的传热效应会对其自身的一些热机械性能造成影响，所以本文总结了复合材料导热性能的相关研究。其中一些学者[19-26]进行大量的实验以及数值模拟研究了碳纤维复合材料导热性能。在数值模拟上，Jiang等[27]基于文献[28]开发出了一种螺旋几何形状的模型。Fang等[29]采用格子Boltzmann模型来对具有非均质的复合材料的导热性能进行研究。而实验部分，Dong等[19-21]则通过实验来测定已知复合材料的导热系数，将实验数据与模拟数据进行对比，得出误差范围值。

本文介绍各种编织结构碳纤维复合材料的导热性能和热膨胀性能，对学者在这些方面的实验方法以及数值模拟模型进行总结，对比分析各种编织结构碳纤维复合材料与导热性能和热膨胀性能之间的关系，然后对影响其导热性能与热膨胀性能的因素进行探讨，分析得出某些碳纤维复合材料的编织结构偏向有益于导热性能与热膨胀性能的方向发展。最后，将对各种编织结构CFRC的潜在应用和未来发展前景进行阐述。

2 研究方法

本文将对碳纤维复合材料的研究分为两大部分展开分析叙述，即实验部分与数值模拟的研究方法部分。

2.1 实验

2.1.1 导热系数的实验测定 导热系数实验室测定是基于傅里叶热传导定律，实验测定热导率的有两种方法，即稳态法和瞬态法。相比于稳态法，瞬态法大大缩短了实验测量所需的时间。Dong等[19-21]进行编织复合材料导热系数测定的实验，根据测试标准搭建实验台，然后测定编织复合材料的轴向和横向的热导率，再将实验数据整理进行图表可视化，可呈现出复合材料传热各向具有差异性的特征。通过对文献[12，19-21]所进行的实验内容进行总结，将其所研究的碳纤维和树脂材料的热物性参数见表1。

对于沿轴向方向的热传导计算，采用瞬态热线法[30-31]：

(1)

沿横向方向计算，则是使用瞬态平面源法[32]：

(2)

(3)

(4)

其中，d1和d3是指两相邻热电偶之间的距离，d2和d4是不同材料之间的距离，dgr是导热硅脂的厚度，ΔTij(i=1，2，3；j=2，3，4)是指两相邻热电偶之间的温度差。

表1 室温(25 ℃)下的碳纤维和环氧树脂的热物性参数Table 1 Thermal properties of carbon fiber and epoxy resin at room temperature

2.1.2 热膨胀系数(CTE)的实验测定 由于复合材料中碳纤维内部编织结构过于复杂化，于此同时参与固化的基体材料由于其自身因素也会对复合材料的整体热膨胀性有影响。热膨胀系数的测定方法有示差法、双线法以及光干涉法等，Dong等[15，33]通过示差法实验测量编织复合材料在轴向和横向方向的热膨胀系数。根据实验所测的数据，可由以下公式得出相关值。

瞬间CTEα等式定义：

(5)

K=ΔLref-αrefLref(T2-T1)

(6)

其中，温度T2下样品长度L和温度T1下的样品长度L0(ΔL=L-L0)，K为系统补偿值(以下均参考石英样品)，ΔLref是在温度T2下的样品线性长度改变率，Lref是在温度T1下的长度大小，αref是热膨胀系数。

2.2 数值模拟方法

诸多文献已经采用不同的研究方法建立了不同结构的复合材料的几何模型来尽可能呈现出符合实际复合材料的内部结构，本文总结了编织复合材料的四种研究方法来进行阐述。有限元法是使用次数较多的数值计算方法之一，文献[12，14，16，19-21，26-27，33-40]则对有限元法进行了应用，在有限元法的基础上进行更多深层次的拓展研究，与其他方法相比还是较为完善。文献[29，41-43]阐述的格子Boltzmann法是善于处理一些传统的流体流动的方法，该方法较于有限元法来说，能够弥补其在热接触面处研究功能的短缺。文献[10-11，13]和文献[44]两者则是对单元法和激光闪射法的应用，由于两种方法其应用对象受到了自身使用条件的限制，使得这些模拟方法使用次数比较少，但如果能够结合其他方法一起使用，可以避免其使用条件的限制，与此同时，也急需要开发一些新的研究方法，然后进行深入研究。表2是整理的数值模拟方法之间的对比。

表2 数值模拟方法之间的对比Table 2 Comparison between numerical simulation methods

3 碳纤维复合材料有效热导率和热膨胀系数的影响因素

3.1 影响复合材料有效热导率(CTC)的因素

导热行为是材料传导热量能力的表征形式，材料的导热能力的强弱决定着材料适用于哪种用途。关于文中所研究的碳纤维复合材料，其生产过程有着对其编织结构的设计标准，也使得文中所研究的编织复合材料具有各向同性和异性的特点。因此会产生诸多对复合材料传热影响的因素，对4种影响因素进行分析：①总结文献[12，14，26-27，34]可以得出CTC与织物纤维体积分数的关系。纤维体积分数和织物复合材料的CTC表现为同增同减关系，图与表都呈现出一致上升的趋势。编织材料的传热情况轴向大于横向，从而解释了复合材料传热的各向传递差异性；②总结文献[12，26-27，29]可以得出CTC与内部编织角的关系。内部编织角和编织复合材料的横向CTC表现为同增同减的关系，轴向CTC与之相反。因此也可以得出复合材料的CTC在轴向和横向上有一定的差异；③总结文献[29]可以得出CTC与界面接触热阻的关系。界面接触热阻和编织复合材料的CTC表现为相互逆向的关系；④总结文献[14]可以得出CTC与孔隙率体积分数的关系。孔隙率体积分数和编织复合材料的CTC表现为相互逆向的关系，并且呈现出CTC轴向大于横向的趋势。

3.2 影响复合材料热膨胀系数(CTE)的因素

由于编织复合材料在编织过程中会产生编织角以及孔隙率，受到此工艺过程的影响，碳纤维编织复合材料的内部结构往往比单个碳纤维更为复杂。在固化过程中，基体与碳纤维的结合，由于两者会受到温度的影响，也会直接影响到整体复合材料的热膨胀行为。在某些应用领域会需要较低的热膨胀系数的复合材料，则就需要获得基体与碳纤维材料的性能参数，再进行调配结合比例得出合适的材料。

总结文献[45]可以得出CTE与内部编织角的关系，增大内部编织角，编织复合材料的轴向CTE先减再增，横向CTE先增再减。因此可以看出编织复合材料的CTE表现为各向差异性。

总结文献[33]可以得出CTE与孔隙率的关系，孔隙率和单向纤维增强复合材料的线性CTE表现为相互逆向关系。

综合以上几点对编织复合材料CTC和CTE影响因素的分析，根据3.1节和3.2节可得出编织复合材料CTC和CTE具有一致的各向差异性，这表明编织复合材料的几何结构对材料整体的CTC和CTE产生重要影响，如果编织复合材料需要偏向有益于CTC或者降低CTE的方向发展，可以基于这几点影响因素或者另外可能的影响因素入手，尽量避免出现较多的异向性，或者还可以开发出更新的编织结构。而且，基体材料的选取也会影响到成品化编织复合材料的热性能。文献对于基体在编织复合材料中影响的研究缺乏，是否可以在基体中添加某些物质可以达到提升编织复合材料的整体热性能还有待进一步研究。

4 潜在应用

碳纤维复合材料是一种集聚了多种性能的潜力材料，比如，碳纤维复合材料有着轻量化的作用，在汽车工业方面，非常适用于减轻汽车车身整体的重量，其中包括汽车的某些零部件，这将会为汽车行业带来一次革新。在军事方面，先进的无人机由于轻量化、长航程等技术要求，也迫切需要对自身减重。碳纤维复合材料具有可调控热性能，如果将其与芯片结合，解决芯片相关热问题，可能也会给芯片行业带来曙光。它们还可以用于风电叶片、压力容器以及土木建筑等。碳纤维复合材料作为一种有待继续开发和拓展的潜力材料，目前针对其各方面性能的研究还是处于初步阶段。由于供需问题，至此还未大规模推行碳纤维复合材料在各行业中使用，不仅仅是因为其价格问题的使然，还有就是其生产的技术以及优化材料性能的技术未达到完全成熟的掌握。就目前来看，碳纤维地铁已经推出，虽未正式的运营，但相信在未来不久，我们可能会看到碳纤维高铁，在此基础上还可以发展成真空管磁悬浮碳纤维高铁。

5 结束语

对许多学者在碳纤维复合材料的研究现状、方法以及各种性能研究进行了阶段性的总结，并且他们还在继续为碳纤维复合材料的再拓展研究。每篇文献中研究不同的对象模型，包括碳纤维和基体的种类、碳纤维的编织工艺以及制成几维结构等等。碳纤维复合材料的性能(热、电和机械性能等)存在许多未知的影响因素，除了制造工艺过程以外，像碳纤维，它受到其种类、纤维体积分数、内部编织角、孔隙率以及与基体的界面结合固化的影响；而基体，它的种类、结晶温度和玻璃化转变温度也会对复合材料的整体性能造成影响。这些影响因素都是值得我们关注的，通过优化的手段来避免这些不良因素的同时，应尽可能增强复合材料的热、电和机械性能，在此基础上再开发出其潜在的性能。同时，我们也要使得制作工艺更高效化，促使这种多功能性的材料得到推广，同时受到未来市场的青睐。