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般表针方法，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；表针方法；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变化时，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，复合材料的热膨胀主要取决于增强体和基质的线膨胀系数及其体积百分比。线膨胀系数定义为温度升高1℃材料的相对伸长。其测试方法是将一定尺寸的标准试样置于膨胀仪中升温，记录试样的长度变化△L——温度曲线，平均线膨胀系数α为：

式中L0为试样室温时的长度，mm；K为测量装置的放大倍数，△T=T2-T1为温度差，℃；α石英为对应于(T2-T1)石英的线膨胀系数，取0.51×10-6/℃；T1，T2为温度间隔的下限和上限。

精确测定复合材料的平均线膨胀系数对于确定复合材料制品成型前后的体积收缩比，保证制品尺寸，防止制品变形，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：

αL：∥纤维方向的线膨胀系数；

αT：⊥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，达到稳定后，精确测定试样两侧的温差△t。由加热板的功率W和面积S，可求出复合材料的热导率λ：

式中W为主加热板在稳定时的功率，W；d为试样厚度，m；S为主加热板的计算面积，m2；△t为试样两侧的温差，℃。

实际测定时同时测：

λL：∥纤维方向的热导率；

λT：⊥上纤维方向的热导率。

平均比热容:1g物质温度升高1℃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计混合法(即降落法)测定。将标准试样在加热炉内恒温加热

一定时间后降落到铜块量热计中，试样释放的热量被量热计完全吸收，测量试样和铜块量热计的温度变化值，即可求出试样的平均比热容。

式中H为量热计热值，J/℃；t0为落样时刻的量热计温度，℃；t0为量热计最高温度，℃；M为测验后试样质量，g；t为试样在保温期的温度，℃；tδ为量热计温度修正值，℃。

铜卡计法要求试样加工成不同直径的圆片，中央打孔，串成圆台形，试样尺寸要求较严，对炭纤维复合材料来说加工非常困难，因此可采用水卡计测定平均比热容，将待测样品切成块，装入试样杯内，加工方便，此法还可用来测定纤维和颗粒树脂的比热容，适用范围较广。

马丁耐热和热变形温度:是工业部门判断塑料和复合材料耐热性的方法，其测试原理是使试样在规定外力作用下，以规定的等速升温加热，用达到规定形变量的温度指标来表示其耐热性能。

马丁耐热和热变形温度的测试仪示意如图1、2，两者比较见表。

玻璃化转变温度:非晶态高聚物在玻璃态转变区即介于玻璃态与高弹态之间，贮能模量急速下降，而损耗因子迅速增大，最大损耗因子对应的温度，称为玻璃化转变温度，以Tg表示，它标志材料的耐热性。如果吸湿材料测定T。，则湿态T。是材料耐湿热性能的标志，对塑料来说，Tg为使用的最高温度，对橡胶来说T。为使用的最低温度。研究丁。能揭示高分子链结构与力学性能之间的关系，刚性链Tg高，柔性链则Tg较低。Tg还提供凝聚态分子相互作用的状态，如加入增塑剂，降低分子间的相互作用，则Tg下降，而引入极性基团，以及增加分子间的相互作用如交联、结晶、取向等都使Tg升高。测量玻璃化转变温度Tg 的方法，可用动态力学温度谱、热机械曲线、差示扫描量热等方法。

(1)热机械分析(TMA)。是在程序控温下，测量试样在恒定负荷作用下所产生的形变随温度变化的曲线，它在一定温度范围内反映试样在外力作用下形变的全过程。

树脂基复合材料的耐热性很大程度上取决于基质的耐热性。凭借温度形变曲线分析，可用少量试样即可确定聚合物的物理机械性能，如玻璃化温度T。和黏流温度Tf等，也可研究热固性树脂的固化程度等，大致了解材料的工艺性质和适用范围。

(2)热重分析(TG)。在程序控温下，测定物质的质量随温度变化的一种热分析方法，试验得到的曲线称为热重曲线(TG曲线)，典型的热重曲线如图3，图中ab段为平台区，Ti为起始分解温度，在bc段试样质量急剧下降，bc段的斜率反映了热失重速率；Tf为终止温度，Tf以后曲线趋平。积段反映试样残存质量的多少，提供了试样耐灼烧性能的信息。

若以质量变化率对温度作图，则为微分热重曲线(DTG)，DTG曲线也为研究材料热性能提供有用的资料。

(3)差热分析(DTA)和差示扫描量热分析(Dsc)。在程序控温下使试样和参比物在相同条件下升温，若试样因物理变化或化学变化发生吸热或放热，则试样与参比物之间产生温差，直接测试这一温差则为DTA；若在发生温差时给以功率补偿，使试样与参比物始终保持一致温度，测量输入到试样和参比物的功率差与温度的关系则为DSC。

应用DTA或DSC技术，可研究伴随试样温度变化过程中发生吸热放热现象的各种物理、化学变化，如聚合物的玻璃化转变、结晶和熔化过程，热固性树脂的固化过程等，在聚合物和复合材料热性能表征中有广泛应用。

阻燃性能:随着复合材料用途的扩大，对其阻燃性能的要求日益重要，阻燃性能表征有炽热棒法、水平燃烧法、氧指数法等。

(1)炽热棒法。将复合材料试样一端水平支撑，另一端即自由端在规定时间内与加热到950℃±10℃的炽热硅碳棒相接触，根据试样的燃烧情况对试样的耐燃性作出评定。

(2)水平燃烧法。将试样一端水平支撑，其自由端在规定时间内与一定高度的本生灯火焰接触，根据试样的燃烧情况对试样的耐燃性能作出评定。

(3)氧指数法。在指定条件下试样在氧、氮混合气流中维持平稳燃烧所需的最低氧气浓度，以氧所占的体积百分数表示。氧指数值越高，表示材料的阻燃性能越好。

2 针刺复合织物增强C /C 复合材料的热物理性能

C /C复合材料的热物理性能与组分材料的性能、组分材料间的复合状态和使用条件有关, 一般呈各向异性。从两种材料的热性能来看, 材料两个方向的热性能随温度的变化趋势一致, 热扩散率随测试温度的升高而减小, 比热容随温度的升高而增大。受布层方向影响, 轴向热扩散率远大于径向, 轴向比热容小于径向。从工艺过程来看, 材料的热扩散性能主要受工艺因素的影响。从数值上看, 800 ℃时, 材料A 轴向和径向热扩散率分别为0. 064 cm2 /s和0. 026 7 cm2 /s, 比热容分别为1. 928 ×103 J /(kg K )和2. 278 ×103J /(kg K);材料B 轴向和径向热扩散率分别为0. 159cm2/s和0. 067 cm2/s, 比热容分别为1. 597 ×103J /(kg K)和1. 713 ×103 J /(kg K)。

经分析认为, 孔隙和基体炭热性能的差异不足以造成两种材料热性能之间的较大差异, 主要是高温处理温度决定了两种材料结构上的不同, 而导致了热性能的差异。高温处理过程中, 1 800 ℃温度范围内仅是炭材料体系结构朝有序化逐步转变的阶段, 远不足以改变炭材料的晶体结构, 而 2 500 ℃的温度处理使材料的石墨化程度大大增强, 从而改善了材料的热扩散性能。同时, 由于C /C 复合材料本质上属无机类材料, 因此比热容受材料结构的影响不是很大。虽然说材料热扩散性能的增加, 可以改善材料的抗热震能力,但从固体火箭发动机喷管热结构设计来讲, 则希望径向的热导率控制在一定的范围内。因此, 在材料其它性能满足要求的情况下, 进行 1 800 ℃的高温处理是适宜的, 既可解决纤维和基体的热稳定性问题, 又不至于给喷管热结构设计带来较大困难。

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