9第九讲 热功能与复合材料
复合材料的热学性能研究及应用
复合材料的热学性能研究及应用复合材料是由两种或以上的不同材料组成的材料。
由于其具有轻质、高强、高比刚度和良好的防腐蚀性能等优点，近年来广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、建筑等领域。
其中耐高温性能是复合材料应用的重要指标之一，本文将重点讨论复合材料的热学性能研究及应用。
一、复合材料的热学性能复合材料热学性能的研究主要包括热导率、热膨胀系数和热稳定性。
1. 热导率热导率是材料传递热量的能力，是评价材料导热性能的重要指标。
通常情况下，复合材料的热导率低于金属材料，但高于一些聚合物材料。
近年来，热导率高的纳米材料逐渐应用于复合材料中，提高了复合材料的热导率。
同时，通过调控复合材料中填料的含量和形态等方式也可改变其热导率。
2. 热膨胀系数热膨胀系数是材料在温度变化时长度或体积的变化率。
复合材料的热膨胀系数可通过优化填料与基体的配比和增加纤维方向比例等方式进行调节。
3. 热稳定性热稳定性是指材料在高温条件下是否能维持其基本物理和化学特性。
复合材料的热稳定性受多因素影响，如基体树脂的类型、纤维的类型、填充物的含量、预处理等。
常用的提高复合材料热稳定性的方法包括添加无机填料、改变基体材料、增加光稳定剂含量等。
二、复合材料热学性能的应用复合材料热学性能的应用包括热障涂层、航空航天、汽车和建筑等领域。
1. 热障涂层热障涂层是一种能耐受高温气流侵害的保护涂层，由于其一些优良特性（如抗氧化、热隔断、抗侵蚀等），被广泛地应用于高温工业。
主要适用于航空航天、发动机、燃气轮机等领域。
复合材料热障涂层的主要优点在于其既具有金属热剥落的可靠性，同时又能实现复合材料强度的提高，而且其生产成本相对较低。
2. 航空航天在航空航天领域中，复合材料的轻质化、高强度等特性使其成为重要的材料之一。
同时在制造过程中也需要考虑到复合材料的热学性能，如热稳定性和热导率等，以保证其在极端环境下仍能够保持性能。
3. 汽车在汽车制造领域，由于复合材料质量轻、坚固、柔性等特性，可以用来减轻车身自重和降低油耗。
工程学中的多功能材料和复合材料
工程学中的多功能材料和复合材料随着科技不断发展，工程学中的材料也在不断更新换代。
其中，多功能材料和复合材料成为了研究热点，应用范围也越来越广泛。
本文将探讨这两种材料的特点、应用以及未来发展趋势。
一、多功能材料多功能材料是指具备多种功能的材料，可以同时具有结构、力学、热学、光学和电学等多种性能。
这种材料的发展与制造技术和材料科学的进步密切相关。
目前，多功能材料已经被广泛应用于多个领域，例如航空航天、车辆制造、医学等。
在航空航天领域，多功能材料可用于制造高强度、轻量化的飞机材料，大幅降低飞机燃油消耗。
在车辆制造领域，多功能材料可用于制造高强度的车身材料，提高车辆的安全性能。
在医学领域，多功能材料可以用于制造可生长、可降解的植入物，用于人类组织工程学和医学器械等领域。
未来，多功能材料的应用前景十分广阔。
随着制造技术和材料科学的不断进步，多功能材料的性能将得到进一步提升，将有更广泛的应用空间。
二、复合材料复合材料是指由两种或两种以上材料制成的材料，通过界面相互作用实现结构性能的协同作用。
复合材料的制造过程中需要将两种或两种以上的材料结合起来，形成新的材料。
目前，复合材料在航空航天、能源、汽车、医学等领域都有广泛的应用。
在航空航天领域，复合材料已经成为制造飞机的主要材料，因为其具有优异的重量、强度、刚度等特点。
在能源领域，复合材料也被广泛应用于温室气体减排和能源开发等方面。
在汽车领域，复合材料已经被用于制造车身、车门等部件，取代传统的金属材料。
在医学领域，复合材料可以用于制造人造关节、人造血管等医疗器械。
未来，复合材料将会得到更广泛的应用。
在制造技术和材料科学的不断进步下，复合材料的性能将得到进一步提高，具备更多的应用潜力。
同时，复合材料的研究也将涉及到更广泛的领域，例如环保、生态建设等。
三、多功能材料和复合材料的结合多功能材料和复合材料的结合，可以将两种材料的特点充分发挥出来，形成一种更加优异的材料。
例如，多功能复合材料可以用于制造高强度、高性能的航空器件，在航空航天领域有广泛的应用。
热功能复合材料调研报告
热功能复合材料调研报告热功能复合材料是一种具有特殊热学性质的复合材料。
它利用不同物质间的热传导性能差异，通过复合、堆积等方式构建出具有特定热学特性的材料。
热功能复合材料广泛应用于热管理领域，例如热障涂层、热导材料和热电材料等。
热障涂层是一种常见的热功能复合材料，其主要由高热阻涂层和高导热基底材料构成。
高热阻涂层具有低热导率和高发射率的特点，可以有效地降低热传导。
而高导热基底材料能够快速地传导热量。
通过将这两种材料结合在一起，可以实现热能的高效利用和传导。
热障涂层被广泛应用于航空航天、汽车制造和电子领域，能够提高材料的热稳定性和工作效率。
热导材料是另一种常见的热功能复合材料，其具有高导热性能和良好的机械强度。
热导材料可以有效地传导热量，用于散热和热管理。
目前，铜基和铝基热导材料是应用较为广泛的材料。
热导材料在电子设备、LED照明和新能源产业中得到了广泛的应用。
热导材料的热导率越高，其散热效果就越好。
热电材料是一种具有独特的热功能复合材料，其能够将热能转化为电能。
根据热电效应的不同，热电材料分为Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应。
Seebeck效应是指当两个不同温度的电极连接在一起时，会产生电压差。
Peltier效应是指当电流通过两个相互接触的材料时，会在接触处产生热量。
Thomson效应是指当电流通过温度梯度的材料时，会产生电压差。
热电材料可以应用于热电发电、热电制冷和温度测量等领域。
总体而言，热功能复合材料具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展，热功能复合材料将在能源领域、环境保护和电子设备等方面发挥重要作用。
未来，我们可以进一步研究和开发新型的热功能复合材料，提高其热学性能和生产工艺，以满足不同领域的需求。
复合材料的热性能与应用研究
复合材料的热性能与应用研究在咱们的日常生活里，材料那可是无处不在，从家里的家具到出门坐的汽车，从手上拿的手机到天上飞的飞机，各种各样的材料构建了咱们这个丰富多彩的世界。
而在这众多材料中，复合材料那可是相当了不起的存在，尤其是在热性能方面，那更是有着独特的魅力和广泛的应用。
就说前段时间，我去参观了一家生产汽车零部件的工厂。
在那里，我看到了工人们正在忙碌地加工着各种零件。
其中，有一些就是用复合材料制成的。
我好奇地凑过去，想看看这复合材料到底有啥特别之处。
只见一位师傅拿着一块复合材料的板子，跟旁边的人说：“这玩意儿，耐高温性能那叫一个强！咱们汽车发动机周边的一些部件就得靠它，不然高温环境下，普通材料早就扛不住啦！”我一听，心里不禁感叹，原来复合材料在汽车领域还有这么重要的作用。
那到底啥是复合材料的热性能呢？简单来说，就是复合材料在不同温度下的表现。
比如说，有的复合材料在高温下依然能保持良好的强度和稳定性，不会轻易变形或者损坏；而有的复合材料则具有很好的隔热性能，能有效地阻止热量的传递。
咱们先来说说复合材料的耐高温性能。
这可是它的一大亮点啊！像在航空航天领域，飞机发动机内部的温度那是相当高的。
普通的金属材料在这种高温环境下，很容易就会软化甚至熔化。
但是复合材料就不一样啦，它能够承受住上千度的高温，依然稳稳地发挥作用。
比如说碳纤维增强复合材料，它在高温下不仅强度不会下降太多，而且重量还轻，这对于提高飞机的性能可太重要了。
再来说说复合材料的隔热性能。
大家都知道，夏天的时候，如果车子在太阳底下晒一会儿，车里就会变得像烤箱一样热。
这时候，如果汽车的某些部件使用了具有良好隔热性能的复合材料，就能有效地减少热量传递到车内，让咱们开车的时候更舒服一些。
还有在建筑领域，用复合材料做的隔热板，可以让房子在夏天更凉快，冬天更暖和，节省不少能源呢。
除了上面说的这些，复合材料的热稳定性也很重要。
比如说，有些电子设备在工作的时候会产生大量的热量，如果使用的材料热稳定性不好，就容易出现故障。
复合材料与功能材料
复合材料与功能材料
复合材料和功能材料是现代工业生产中的两种重要材料，都有其独特
的优势和不同的用途。
复合材料是由两种或多种不同材料复合而成，由这些材料共同构成。
其优点在于能够获得各种不同属性和特性，并且能够有效地利用不同材料
之间的互补特性，从而达到更好的性能和使用效果。
而且，复合材料具有
轻质，高强度，耐腐蚀，耐热，耐磨，抗冲击，绝缘，隔热和耐火等优点，因此广泛的应用于航空航天，化工，机械，交通运输，汽车制造，家具制
造等领域。
以复合材料制造的飞机，由于重量轻，力学性能强，降低了飞
机的油耗，从而提高了航程的安全性和可靠性。
功能材料是指具有一定功能的材料，其特性可被调节，以满足特定的
应用要求。
其优点在于，功能性材料对环境有良好的响应，可以通过改变
结构，改变形状，改变性能来改变应用环境，从而给用户带来更多的方便。
常见的功能材料有光学材料，电学材料，磁学材料，以及智能材料等，这
些材料可以用于制造透镜，传感器，激光器，光学元件，安全装置，数码
产品，电竞设备等。
第九章 功能复合材料(讲义)
第九章 功能复合材料具有除力学性能以外的其他物理性能的复合材料，统称为功能复合材料，属于功能材料的范畴。
功能复合材料可以根据功能体的不同物理性能及材料的复合原理设计、制备种类繁多、用途各异的复合材料。
仿生也可以用来作为设计功能复合材料的借鉴，因为生物体中不乏具有功能性的先例。
功能复合材料种类繁多，在电学性质方面有绝缘材料，导电材料，半导电材料、正温度系数导电材料，吸波材料、压电，电致伸缩材料等；在磁性材料方面有复合永磁、软磁材料，磁致伸缩，压磁等；光学功能方面有透光，变频、抗激光、选择吸收光波等；热性能方面包括导热，绝热，耐烧蚀、低热膨胀材料；声学方面有声纳发射和接收，吸音等。
此外还有阻尼，摩擦、抗磨损，自润滑等功能复合材料。
利用功能体及复合材料对声、光、电、热、磁、力及各种环境的敏感性，可以制得具有各种敏感特性的复合材料，如光敏、温敏、湿敏、压敏等机敏功能复合材料，这类敏感材料对一些特种传感器提供了新的选择，它在工业生产过程自动控制与检测、自然灾害的预防、工业污染的监控、医疗卫生检查、自然资源的探测、各种遥感信息的传递及监测等许多方面将发挥越来越重要的作用。
此外，除了利用功能体的作用，还可以利用基体材料的功能特性，来制备功能复合材料。
例如，利用具有化学分离功能的聚合物基体与磁性微粒功能体制成带磁核的具有的分离功能的磁性复合分离材料，它可以从溶液中选择地分离出贵金属离子或有毒金属离子，并在磁场下形成磁滤网，提高分离效率。
功能复合材料是复合材料的一个重要分支，近十年来发展很快，并在工业中得到广泛的应用。
本章简要介绍几种常见的功能复合材料的特性，制备原理及应用的概况。
9.1 压电复合材料任何材料在受到电场作用时，都会经受体积变化，如果产生的应变与电场强度的平方成正比，这就是通常所说的电致伸缩效应。
与电致伸缩效应相反，某些材料具有这一效应的逆向效应。
即对材料施加应力（张应力、压应力、切向应力）使其产生应变时，会出现电极化现象。
高中化学 第九章功能复合材料
利用共振效应，可以根据外来的工作 频率，改变复合材料固有频率而避免材料 在工作时引起的破坏。
对于吸波材料，同样可以根据外来波 长的频率特征，调整复合频率，达到吸收 外来波的目的。
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系统效应
这是材料的一种复杂效应，至目前为 止，这一效应的机理尚不很清楚，但在实 际现象中已经发现这种效应的存在。
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在玻璃纤维增强塑料中，当玻璃纤维表 面选用适宜的硅烷偶联剂处理后，与树脂基 体组成的复合材料，由于强化了界面的结合， 故致使材料的拉伸强度比未处理纤维组成的 复合材料可高出30--40%，而且湿态强度保 留率也明显提高。
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但是，这种强结合的界面同时却导致 了复合材料冲击性能的降低。
因此，在金属基、陶瓷基增强复合材 料中，过强的界面结合不一定是最适宜的。
在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳 纤维表面对基体的诱导作用，致使界面上的 结晶状态与数量发生了改变，如出现横向穿 晶等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着特殊的 作用。
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共振效应
两个相邻的材料在一定条件下，会产生 机械的或电、磁的共振。
由不同材料组成的复合材料，其固有频 率不同于原组分的固有频率，当复合材料中 某一部位的结构发生变化时，复合材料的固 有频率也会发生改变。
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相补效应和相抵效应常常是共同存在的。 显然，相补效应是希望得到的，而相抵 效应要尽量能够避免。 所有这些，可通过相应复合材料的设计 来加以实现。
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相乘效应
两种具有转换效应的材料复合在一起， 即可发生相乘效应。
例如，把具有电磁效应的材料与具有 磁光效应的材料复合时，将可能产生具有 电光效应的复合材料。
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因此，通常可以将一种具有两种性能相 互转换的功能材料X/Y和另一种换能材料Y/Z 复合起来，可用下列通式来表示，即：
复合材料的导热性能和应用
复合材料的导热性能和应用近年来，随着科技的不断进步，各种新材料不断涌现。
其中，复合材料作为一种新型材料，其应用领域在不断扩展。
复合材料的导热性能是其应用中一个非常关键的指标，本文将从导热性能和应用两个方面，探讨复合材料在工业和生活中的应用。
一、复合材料的导热性能导热性能是材料特性之一，指的是材料在温度梯度下导热的能力。
复合材料相比于传统材料，具有很高的导热性能。
这主要是由于复合材料是由不同的材料组成的，相互之间有着良好的耦合作用，从而导致更高的导热性能。
具体来说，复合材料中的导热性能与其基体材料的导热性能和填充材料的导热性能有关。
基体材料指的是复合材料中主要的承载材料，填充材料则是指被加到基体材料中以改善其性能的材料。
一般来说，选择高导热性能的基体材料和填充材料，可以有效提高复合材料的导热性能。
二、复合材料的应用复合材料在工业和日常生活中得到了广泛的应用。
其中，导热性能是极其重要的一个特性，下面将分别从工业和生活两个方面阐述其应用。
1. 工业领域复合材料的导热性能在工业中应用非常广泛，主要体现在以下几个方面：（1）导热板材导热板材是一种新型加热材料，由于其优异的导热性能，广泛应用于印刷电路板、电子元器件等领域。
导热板材的主要成分是石墨材料和复合材料，具有良好的导热性和低导电性，从而能够提高电子元件的可靠性。
（2）导热传感器导热传感器是一种能够测量物体表面温度的传感器，其优异的导热性能使其能够快速响应和准确测量温度。
目前，导热传感器已经广泛应用于汽车、军事、工业等领域。
（3）导热散热器导热散热器是一种能够有效散热的散热器，由于其优异的导热性能，能够将热量迅速传递给空气，起到降低温度、提高设备性能等作用。
目前，导热散热器已经广泛应用于计算机、电视、电子设备等领域。
2. 日常生活复合材料在日常生活中的应用也越来越多。
这主要是由于其良好的导热性能，使其可以应用于以下几个方面：（1）建筑材料复合材料的良好导热性能使其能够充分利用太阳能和地热能，使得建筑物的能源使用更为高效和节约。
复合材料的热传导性能与应用
复合材料的热传导性能与应用在当今科技高速发展的时代，材料科学领域的创新不断推动着各个行业的进步。
其中，复合材料以其独特的性能和广泛的应用成为了研究的热点之一。
而在众多性能中，复合材料的热传导性能更是备受关注，因为它在许多关键领域都发挥着至关重要的作用。
要理解复合材料的热传导性能，首先得搞清楚什么是热传导。
简单来说，热传导就是热量从高温区域向低温区域传递的过程。
而材料的热传导性能则取决于其内部的微观结构和组成成分。
复合材料通常由两种或两种以上不同性质的材料组成，这些材料在热传导方面的特性各不相同。
比如，金属材料一般具有良好的热传导性能，而聚合物材料的热传导性能则相对较差。
当这两种材料复合在一起时，其热传导性能就会受到多种因素的影响。
其中一个关键因素是复合材料中各组分的含量和分布。
如果金属成分在复合材料中所占比例较高，并且分布均匀，那么热量就能够更有效地通过金属网络传递，从而提高整体的热传导性能。
反之，如果金属成分含量低且分布不均匀，热传导的路径就会受到阻碍，导致热传导性能下降。
另一个重要因素是界面热阻。
在复合材料中，不同组分之间的界面会对热传导产生一定的阻力。
如果界面结合良好，热阻就会较小，有利于热量的传递；而如果界面存在缺陷或相容性差，热阻就会增大，削弱热传导性能。
复合材料的热传导性能在众多领域都有着广泛的应用。
在电子领域，随着电子设备的不断小型化和高性能化，散热问题变得日益突出。
复合材料因其优异的热传导性能，被广泛应用于制造电子封装材料和散热部件。
例如，在集成电路的封装中，使用具有高导热性能的复合材料可以有效地将芯片产生的热量迅速散发出去，保证电子设备的稳定运行。
在航空航天领域，复合材料的热传导性能同样至关重要。
飞机和航天器在高速飞行过程中会产生大量的热量，良好的热传导性能可以帮助这些设备有效地散热，保障其结构的完整性和可靠性。
同时，复合材料的轻质高强特性也使其成为航空航天领域的理想材料。
汽车工业也是复合材料热传导性能的应用领域之一。
复合材料的热传导机制与应用
复合材料的热传导机制与应用在现代科技的快速发展中，复合材料因其独特的性能优势，在众多领域得到了广泛的应用。
其中，热传导性能是复合材料的一个重要特性，深入理解复合材料的热传导机制对于优化其应用具有关键意义。
要理解复合材料的热传导机制，首先得明白什么是热传导。
简单来说，热传导就是由于温度差引起的热能传递现象。
热从高温区域向低温区域流动，就像水从高处往低处流一样。
在单一材料中，热传导主要取决于材料的晶格结构、原子间的相互作用以及自由电子的运动。
然而，复合材料可不是那么简单。
它通常由两种或两种以上不同性质的材料组合而成，比如纤维增强复合材料中的纤维和基体。
这就使得其热传导机制变得复杂起来。
复合材料的热传导可以通过多种方式进行。
其中，最常见的是通过组成材料之间的接触界面传热。
如果两种材料之间的接触良好，热可以相对顺畅地传递；但如果接触不良，界面处就会形成热阻，阻碍热流的传递。
此外，复合材料中的增强相（如纤维）和基体相的热导率差异也会对整体热传导性能产生影响。
一般来说，热导率高的相在复合材料中起到主导传热的作用。
以碳纤维增强复合材料为例，碳纤维具有较高的热导率，而基体材料（如环氧树脂）的热导率相对较低。
在这种情况下，碳纤维就像一条条“热传导高速公路”，能够快速传递热量。
但如果碳纤维在基体中的分布不均匀，或者碳纤维与基体之间的结合力不强，就会影响复合材料的整体热传导性能。
再来说说颗粒增强复合材料，比如在金属基中加入陶瓷颗粒。
如果陶瓷颗粒的热导率高于金属基体，适量添加可以提高复合材料的热导率；反之，如果陶瓷颗粒的热导率较低，过多添加可能会降低整体的热传导性能。
除了组成相的热导率和分布，复合材料的微观结构也对热传导有着重要影响。
比如，孔隙、缺陷等都会增加热传递的阻力。
了解了复合材料的热传导机制，那它们在实际中有哪些应用呢？这可就广泛了。
在电子领域，随着电子设备的性能不断提高，散热问题变得越来越重要。
复合材料由于其可设计性和良好的热传导性能，被广泛应用于制造电子封装材料。
高分子复合材料的热性能与应用
高分子复合材料的热性能与应用高分子复合材料这个词儿，听起来是不是有点儿高大上？但其实啊，它在咱们的日常生活中可常见了！先来说说高分子复合材料的热性能吧。
这热性能啊，就好比是它的“体温调节能力”。
有些高分子复合材料，就像怕热的小孩，温度一高就受不了，容易变形或者失去原本的性能。
而有些呢，则像坚强的“战士”，能在高温环境下依然坚守岗位，保持良好的状态。
比如说，咱们家里用的不粘锅。
那涂层就是一种高分子复合材料。
它能够承受做饭时的高温，让食物不会粘在锅上。
想象一下，要是没有这神奇的涂层，做饭的时候得多闹心啊！每次炒菜都粘锅，那可真是一场厨房灾难。
还有汽车的零部件，很多也是用高分子复合材料做的。
在发动机那样高温的环境下，这些材料得扛得住，才能保证汽车正常运行。
要是材料热性能不好，汽车开着开着零件出问题了，那多危险！我记得有一次，我去一个工厂参观。
看到工人们正在加工一种高分子复合材料的管道。
那时候天气特别热，车间里就跟蒸笼似的。
但是这种材料制成的管道，在那种高温环境下，依然稳稳当当，没有任何变形或者损坏的迹象。
工人们跟我说，这种管道就是因为热性能好，所以能在很多高温的工业环境中使用，保证生产的顺利进行。
再来讲讲高分子复合材料的应用。
那可真是广泛得超乎你的想象！在航空航天领域，飞机的很多部件都用到了高分子复合材料。
因为它们重量轻，热性能又好，能帮助飞机飞得更高更远，还能节省燃料呢！在电子设备中，也有它们的身影。
比如手机的外壳，既要能散热，又要轻便美观，高分子复合材料就派上用场了。
医疗领域也少不了它们。
有些医疗器械的外壳，还有人工关节等，都可能是用高分子复合材料做的。
这些材料不仅要能经受消毒时的高温，还要和人体组织友好相处，不产生排异反应。
建筑行业里，高分子复合材料也大显身手。
像一些隔热材料，能让房子在夏天保持凉爽，冬天保持温暖，节省不少能源。
总之，高分子复合材料的热性能决定了它们能在各种各样的领域发挥重要作用。
9第九讲 热功能与复合材料
通过选择碳纤维含量、种类和取向，以及相应的制造工艺来调节碳纤 维/铜复合材料的线膨胀系数，使之和硅或氧化铝等相接触的线膨胀系 数相近，并且在加热和冷却条件下使他们具有相同的热膨胀率。
碳纤维 /铜复合材料的线膨胀系数随着碳增强体体积分数的增加而单 调下降，且随碳纤维的不同分布方式变化，大小顺序为：长纤维单 向（纵向）<涡卷状长纤维 <长纤维双向正交<无序短纤维 <长纤维单 向（横向）。
较细的粉末表面积大，粉末间相互接触概率增大，容 易形成导热链；较粗的粉末其表面均一性不好，在粉 末相互接触形成导热链时，接触的粉末间空隙大，易 被残留空气吸附或被低热导率的基体填入，使材料的 热导率不高。粉末过细使接触点过多，增加了对热的 散射，从而降低了材料的热导率。
界面结合
Cu/环氧树脂复合材料热 导率与铜粉粒径的关系
密度小，从而最大限度地减少制造材料的总重量，以适应航天领域的 设计要求
烧蚀速率低，质量烧蚀率低。
树脂基防热复合材料
树脂基防热复合材料主要是利用高相变热、低热导率的有机和无机 组分，在吸收气动加入的大量热流后发生相变，并随着相变物质的 质量流失把热量带走，从而起到保护内部结构的作用。 树脂基复合材料的烧蚀防热过程： 散热体的作用 随着热势加剧，树脂基体外层变成黏性体，而后开始降解，产生 泡沫状炭物质，最终形成多孔焦炭 内部树脂基体分解产生的 挥发物渗透到焦炭中，挥发 物被加热到极高温度进而分 解出更低分子量的裂解物， 这种裂解物的耗散带走大部 分热量从而阻碍热量向材料 内部的传入。
长径比不同 结晶度不同
填料的长径比越大越容易发生交联，并形成连续的热流通路，有利于提高复合材料 的热导率。
对于粉体填充的复合材料，其颗粒的粒径 比对热导率也有影响。
光功能复合材料资料
三. 热适应复合材料
热适应复合材料（热匹配复合材料）:通过组分与其含量的 选择和排列取向的设计，而使之具有适合要求的热导率或热 膨胀系数的一种复合材料。
3）烧蚀材料用基体
➢ 酚醛树脂
树脂基烧蚀复合材料所采用的基体主要为酚醛树脂。这是由 于酚醛树脂的成炭率较高，且酚醛树脂在热解时可生成一种 具有环形结构、烧蚀性能优异的中间产物，完全碳化后的碳 化层较致密、稳定。
➢ 聚芳基已炔（PAA）树脂
新型的抗烧蚀基体，为一种高度交联的芳香族聚合物，仅含 碳和氢。 其主要优点：在惰性环境中加热到高温时仅释出10%质量比 的挥发物，成炭率高达90%，而吸湿性仅为酚醛的1/50，被 认为是代替酚醛的一种高性能树脂基体。
2） 制备技术
制备工艺与C/C复合材料有类似之处，首先将纤维进行编织得 到预制体，然后采用致密化工艺使工件致密。致密化工艺以 化学气相渗透法和聚合物先驱体转化法为主。
与其它材料粘在一起的接合方法有钎焊、扩散焊接、烧结 自蔓延和机械固定法。 陶瓷基复合材料的二次加工比较困难，因此要在高温处理 前先加工成要求的形状和尺寸。
烧蚀防热复合材料
热功能复合材料
热适应复合材料
阻燃复合材料
二. 烧蚀防热复合材料
烧蚀防热复合材料
热流作用下
发生多种 物理和化 学变化
分解 熔化 蒸发 升华 辐射
达到阻止热 流传入结构 内部的目的
带走大量 热量
材料质量 消耗
用以防护工程结构在特殊气动热环境中免遭烧毁破坏，保持必 需的气动外形，是航天飞行器、导弹等必不可少的关键材料。
5. 陶瓷基防热复合材料12） ）组 制分 备材 技料 术与其特色
3）陶瓷基复合材料的增韧
6. 防热复合材料的发展
复合材料与功能材料
暖10-1 肖璇 许晶晶 王思月 王雪琰
能源材料 太阳能电池材料是新能源材料研究 开发的热点，IBM公司研制的多层复合太 阳能电池，转换率高达40%。美国能源部 在全部氢能研究经费中，大约有50%用于 储氢技术。固体氧化物燃料电池的研究 十分活跃，关键是电池材料，如固体电 解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交 换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等， 都是目前研究的热点。
④智能复合材料的研制
当用智能复合材料制造的飞机部件发生损 伤时，可由埋入的传感器在线检测到该损伤， 通过控制器决策后，控制埋入的形状记忆合 金动作，在损伤周围产生压应力，从而防止 损伤的继续发展，提高飞机的安全性能。
⑤仿生复合材料
复合材料的设计从常规设计向仿生设计发 展。仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏 松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度 与性能梯度的新型梯度复合材料。
镍氢电池、锂离子电池的主要性能指标 和生产工艺技术均达到了国外的先进水 平，推动了镍氢电池的产业化；功能陶 瓷材料的研究开发取得了显著进展，以 片式电子组件为目标，我国在高性能瓷 料的研究上取得了突破，并在低烧瓷料 和贱金属电极上形成了自己的特色并实 现了产业化，使片式电容材料及其组件 进入了世界先进行列；功能材料还在 “两弹一星”、“四大装备四颗星”等 国防工程中作出了举足轻重的贡献。
目前世界各国功能材料的研究极为活跃， 充满了机遇和挑战，新技术、新专利层 出不穷。发达国家企图通过知识产权的 形式在特种功能材料领域形成技术垄断， 并试图占领中国广阔的市场。近年来， 我国在各个领域加强了专利保护。但是， 我们应该看到，我国目前功能材料的创 新性研究不够，申报的专利数，尤其是 具有原创性的国际专利数与我国的地位 远不相称。我国功能材料在系统集成方 面也存在不足，有待改进和发展。
热功能复合材料
可评价材料最终的阻燃性能
适合工艺过程实验使用
阻燃机理
气相阻燃机理 在气相中使燃烧中断或延缓链式燃烧反应 凝聚相阻燃机理 在凝胶相中延缓或中断材料热分解而产生的阻燃 中断热交换阻燃机理 阻燃剂受热分解吸热，将材料燃烧产生的部分热量 带走，产生冷却降温作用，使材料不能维持热分解 温度，因而不能持续产生可燃气体，从而燃烧自熄
拉伸强度，断裂伸长率
LOI氧指数
Mg晶须
阻燃聚合物/层状无机纳米复合材料
插层型
层离型
氧化石墨
纳米碳管阻燃复合材料
赋予聚合物优良的阻燃性能 提高材料的机械强度，电导 性，热导性
POSS阻燃复合材料
O Si O O O
(CH3)2HSiO OSiH(CH3)2
(CH3)2HSiO
Si Si O O O O Si Si O
阻燃机理-1
卤系阻燃剂
H· + O2
OH· + CO H· + HX OH· + HX
卤-锑系阻燃剂
气相协同阻燃反应 生成的三卤化锑可捕获气相 中的活泼自由基，改变气相 中的反应模式，抑制燃烧 高密度的蒸气能较长时间停 留在燃烧区，发挥着稀释和 阻燃作用 卤氧化锑的分解为吸热反应 可降低材料的温度和分解温度
OSiH(CH3)2 OSiH(CH3)2
本身具有纳米尺寸 POSS作为无机组分 无机相与有机相通过 强的化学键结合，不 存在无机粒子团聚和 两相界面结合力弱的 问题，提高耐热性， 硬度，耐阻燃性能
O
(CH3)2HSiO
Si
Si O Si
(CH3)2HSiO
O
POSS
OSiH(CH3)2
存在的问题
热势加剧
复合材料的热性能
复合材料的热性能摘要:本文介绍复合材料热性能的一样表针方式,并介绍针刺复合织物增强c /C复合材料与的热物理性能。
关键词:复合材料；热性能；表针方式；针刺复合织物增强C /C复合材料1 复合材料的热性能表征(characterization of the rmalproperties of composites)复合材料在加热或温度转变时，所表现的物理性能，如线膨胀系数、热导率等。
线膨胀系数:大多数物质都有热胀冷缩现象，复合材料的热膨胀要紧取决于增强体和基质的线膨胀系数及其体积厅分比。
线膨胀系数概念为温度升高1°C材料的相对伸长。
其测试方式是将必然尺寸的标准试样置于膨胀仪中升温，记录试样的长度转变AL——温度曲线，平均线膨胀系数a为：a _ K・L(i AT口石英式中L0为试样室温时的长度，mm； K为测量装置的放大倍数，AT二T2-T1为温度差，°C； Q石英为对应于(T2-T1)石英的线膨胀系数，取X10-6/°C； Th T2为温度距离的下限和上限。
精准测定复合材料的平均线膨胀系数关于确信复合材料制品成型前后的体积收缩比，保证制品尺寸，避免制品变形，减小内应力等都是很重要的一项物理参数。
在复合材料的铺层设计中需测定：aL：〃纤维方向的线膨胀系数；«T：丄上纤维方向的线膨胀系数。
热导率:热导率是表征物质热导能力的物理量，复合材料的热导率测定是将厚度为d的标准试样置于热导率测量仪的加热板上，达到稳固后，精准测定试样双侧的温差△t。
由加热板的功率W 和面积S,可求出复合材料的热导率入：—购式中W为主加热板在稳固时的功率，W； d为试样厚度，m； S为主加热板的计算面积，m2； At 为试样双侧的温差，°C。
实际测按时同时测：XL：〃纤维方向的热导率；XT：丄上纤维方向的热导率。
平均比热容:lg物质温度升高1°C所吸收的热量称为比热容。
复合材料的平均比热容用铜块量热讣混合法(即降落法)测定。
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较细的粉末表面积大，粉末间相互接触概率增大，容 易形成导热链；较粗的粉末其表面均一性不好，在粉 末相互接触形成导热链时，接触的粉末间空隙大，易 被残留空气吸附或被低热导率的基体填入，使材料的 热导率不高。粉末过细使接触点过多，增加了对热的 散射，从而降低了材料的热导率。
界面结合
Cu/环氧树脂复合材料热 导率与铜粉粒径的关系
填料含量的影响 AlN/聚乙烯复合材料
在填料含量较低时，其热导率基 本上保持不变
每个填料单体都被低热导率的基体材 料完全的包裹起来，使得填料的高热 导性能得不到充分展示，对复合材料 热导率的贡献很小。热导率由连续的 基体材料起主导作用。
AlN/PE热导率与体积百分含量的关系
当填料含量达到一定程度后，热导率开始显著上升
Cu/FeNi在100℃和300℃时的膨胀系数
二、烧蚀防热复合材料（耐烧蚀复合材料或防热复合材料）
在热流作用下能发生分解、熔化、蒸发、升华、辐射等多种物理和化学 变化，借助材料的质量消耗带走大量热量，以达到阻止热流传入结构内 部的目的，用以防护工程结构在特殊气动热环境中免遭烧毁破坏，并保 持必需的气动外形，是航天飞行器、导弹等必不可少的关键材料。
晶须具有完善的结晶形态，浸润特性良好，与基体的结合状况最好，界面结 合较为稳定。在相同填料含量的情况下，与粉体和纤维相比，晶须具有较小 的比表面，相结合的界面较少。
可控膨胀系数复合材料
利用Cu、Al等金属（合金）的高导热性和Al2O3、SiC、AlN、FeNi等 材料的低膨胀性，采用各种复合工艺，来制造既有高导热性，又有低 膨胀性的复合材料。
C/Cu复合材料线膨胀 系数-温度曲线
Cu/FeNi复合材料热膨胀特性
Cu的膨胀系数远大于FeNi，因此Cu/FeNi膨胀系数随Cu含量的增加 而较快增加 在Cu含量相同时，膨胀系数则由FeNi合金的本身特点、FeNi颗粒与 Cu颗粒在复合材料中的分布状态以及FeNi与Cu的相互作用决定的。
在 Cu 含量不是很大的情况下，每 增加 1%Cu ，室温膨胀系数约增加 0.3×10-6/K. 由于 FeNi 与 Cu 相互扩散， FeNi 颗 粒越小， Cu扩散进入 FeNi颗粒所需 扩散的距离越小， FeNi颗粒中的 Cu 含量越多， FeNi(Cu) 的膨胀系数越 大。 FeNi 颗粒越小，比表面积越大， 越易接触而形成 FeNi网络，此时 Cu 被 FeNi 包围，其膨胀受到限制，而 使整个材料的膨胀系数变小。
3、热导率的计算模型： Maxwell-Eucken方程适用于填料含量较低的颗粒增强复合材料体系。 假设颗粒增强复合材料的第二相为球形，且均匀分布在基体中。
k2为颗粒的热导率，k1为基体的热导率，V为颗粒的体积百分数 如果k2远大于k1：
颗粒增强复合材料的热导率仅由基体的热导率和颗粒的体积分数 决定，而与颗粒的热导率无关。
在制备碳/碳复合材料中 在基体中预先包含有氧化 抑制剂。
碳/碳复合材料防氧化涂层要求
碳/碳复合材料的界面
碳纤维-CVD碳-沥青碳界面结构示意图
碳/碳复合材料的应用
一、热适应复合材料
通过对复合材料进行组分与其含量的选择和排列取向的设计，而使之 具有适合要求的热导率或ห้องสมุดไป่ตู้膨胀系数的一种复合材料。
传统的树脂基复合材料热导率低，不能适应高集成度和高功率所产生 的高热量。 提高复合材料导热性能的主要措施是在复合材料基体中加入导热性好 的填料，如金属、陶瓷、石墨或高石墨化碳纤维。 热导率可由0.2升高到20W/(m· K)
FeNi粒度对材料膨胀系数的影响
随温度的升高，扩散增强，会使 FeNi 内 部 的 Cu 含 量 增 加 ， 同 时 FeNi 的 膨 胀 系 数 增 大 ， 因 此 Cu/FeNi 复合材料的总的膨胀系数 随温度上升而变大。 随着 Cu 含量增加， FeNi 中达到 一定 Cu 含量所需温度越低，而较 多含量的 Cu 会使 FeNi 膨胀系数增 加的速度变小，因此随 Cu 的含量 升高，材料总的膨胀系数随温度的 变化变缓。 随着温度升高， Cu/FeNi 复合材 料膨胀系数受FeNi的影响变大，即 更接近FeNi的膨胀系数，所以材料 低温膨胀系数实验值比高温膨胀系 数实验值更接近加和规律。
碳/碳复合材料的制备工艺 预成型体： 将碳纤维平面编织物预先浸渍高碳化 率的沥青等，然后搭层，固化获得预 成型体；或者是三维正交编织。 基体碳： 化学气相沉积（CVD）
液态浸渍碳化率高的高分子 物质的炭化
三维正交编织碳/碳复合材料预成型体
CVD工艺
抗氧化措施
高于370℃就会开始发生氧化。
在碳/碳复合材料表面进 行耐高温材料的涂层，起 到阻隔氧侵入的作用
当填料含量较高时：
G(f) 为填料在材料内部的分布函 数，与填料结构、含量、几何形 状及填充密度等因素相关。 并联模型：G(f)=1，即两相在热导率方向上完全连通。
串联模型：G(f)=0，即两相在热导率方向上相互隔离，完全不连通。
复合材料的实际热导率一般介于两者之间：
网络模型：
也可以表示为： c是网络系数，取决于基体材料中气孔的形状和分布等因素。 若k2远大于k1，则k≈cVk2。
碳纤维/铜复合材料
通过选择碳纤维含量、种类和取向，以及相应的制造工艺来调节碳纤 维/铜复合材料的线膨胀系数，使之和硅或氧化铝等相接触的线膨胀系 数相近，并且在加热和冷却条件下使他们具有相同的热膨胀率。
碳纤维 /铜复合材料的线膨胀系数随着碳增强体体积分数的增加而单 调下降，且随碳纤维的不同分布方式变化，大小顺序为：长纤维单 向（纵向）<涡卷状长纤维 <长纤维双向正交<无序短纤维 <长纤维单 向（横向）。
热适应复合材料
通过对复合材料进行组分与其含量的选择和排列取向的设计，而使之 具有适合要求的热导率或热膨胀系数的一种复合材料。
二、可控膨胀系数复合材料
1、线性膨胀系数
室温下，一些固体材料的线性膨胀系数
膨胀系数和摩尔热容成正比
两个邻近原子间势能随原子间距的变化
2、可控膨胀系数复合材料
利用Cu、Al等金属（合金）的高导热性和Al2O3、SiC、AlN、FeNi等 材料的低膨胀性，采用各种复合工艺，来制造既有高导热性，又有低 膨胀性的复合材料。
玻璃纤维/酚醛树脂复合材料的稳态烧蚀示意图
碳/碳防热复合材料
一种完全为碳的复合材料，碳纤维增强体镶嵌在碳基体中，基体材 料是气相沉积炭或液态浸渍热解炭
升华-辐射型烧蚀材料： 具有高的比热容和汽化能，熔化时要求有很高的压力和温度，具有比 任何材料都高的烧蚀热 炭材料在烧蚀条件下向外辐射大量的热量，具有较高的辐射系数，可 进一步提高其抗烧蚀性。
（1）碳纤维/铜复合材料 长纤维单向（纵向） < 涡卷状长纤维 < 长纤维双向正交 < 无序短纤维 < 长纤维 单向（横向）。
C/Cu(Sn)与C/Cu一样，物理结合； C/Cu(Ni)扩散结合；C/Cu(Fe)化学结合。
C/Cu复合材料线膨胀系数-温度曲线
（二）Cu/FeNi复合材料热膨胀特性 Cu的膨胀系数远大于FeNi 在Cu含量相同时，膨胀系数则由FeNi合金的本身特点、FeNi颗粒与 Cu颗粒在复合材料中的分布状态以及FeNi与Cu的相互作用决定的。
长径比不同 结晶度不同
填料的长径比越大越容易发生交联，并形成连续的热流通路，有利于提高复合材料 的热导率。
对于粉体填充的复合材料，其颗粒的粒径 比对热导率也有影响。
AlN粉体和AlN纤维是由多晶组成的，存在较多的晶界 和缺陷是声子的主要散射源，热导率低于理论值；而 晶须的结晶形态最好，近于单晶。
FeNi粒度对材料膨胀系数的影响
Cu/FeNi在100℃和300℃时的膨胀系数
二、烧蚀防热复合材料（耐烧蚀复合材料或防热复合材料）
防热机制的不同： 升华型：利用材料在高温下升华气化带走热量，一 般升华前还有强烈的辐射散热作用。 碳化型：主要利用树脂在高温下的炭化吸收热量， 进而所形成的炭化层还具有很好的辐射散热和阻塞热 流作用。 熔化型主要利用材料在高温下熔化吸收热量，并进 一步利用形成的熔融液态层来阻塞热流
第二节 热功能复合材料
一、复合材料的热导率 热导率的影响因素：复合材料的热导率由基体和所加的填料共同决定。 1、填料含量的影响
AlN/聚乙烯热导率与体积百分含量的关系
2、填料结构形态的影响
长径比不同
结晶度不同
对于粉体填充的复合材料，其 颗粒的粒径比对热导率也有影响
界面结合
Cu/环氧树脂复合材料热 导率与铜粉粒径的关系
防热材料的要求: 有效烧蚀热
特性： 比热容大，热导率小，密度小，烧蚀速率低
三、树脂基防热复合材料
树脂基防热复合材料主要是利用高相变热、低热导率的有机和无机 组分，在吸收气动加入的大量热流后发生相变，并随着相变物质的 质量流失把热量带走，从而起到保护内部结构的作用。 树脂基复合材料的烧蚀防热过程： 散热体的作用 随着热势加剧，树脂基体外层变成黏性体，而后开始降解，产生 泡沫状炭物质，最终形成多孔焦炭 内部树脂基体分解产生的 挥发物渗透到焦炭中，挥发 物被加热到极高温度进而分 解出更低分子量的裂解物， 这种裂解物的耗散带走大部 分热量从而阻碍热量向材料 内部的传入。
密度小，从而最大限度地减少制造材料的总重量，以适应航天领域的 设计要求
烧蚀速率低，质量烧蚀率低。
树脂基防热复合材料
树脂基防热复合材料主要是利用高相变热、低热导率的有机和无机 组分，在吸收气动加入的大量热流后发生相变，并随着相变物质的 质量流失把热量带走，从而起到保护内部结构的作用。 树脂基复合材料的烧蚀防热过程： 散热体的作用 随着热势加剧，树脂基体外层变成黏性体，而后开始降解，产生 泡沫状炭物质，最终形成多孔焦炭 内部树脂基体分解产生的 挥发物渗透到焦炭中，挥发 物被加热到极高温度进而分 解出更低分子量的裂解物， 这种裂解物的耗散带走大部 分热量从而阻碍热量向材料 内部的传入。