基于碳纤维复合材料热性能的研究进展综述

收稿日期：２０１８１２２１ 修改稿日期：２０１９０２２６ 基金项目：上海市科学技术委员会国际合作项目（１７１７０７１２１００） 作者简介：龙巍（１９９５－），男，江 西 吉 安 人，在 读 硕 士，师 从 郑 学 林 教 授，从 事 暖 通 空 调 方 面 研 究。 电 话：１３３８１９２１４９２，
Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
ＬＯＮＧＷｅｉ１，ＺＨＥＮＧＸｕｅｌｉｎ１，ＺＡＮＧＪｉａｎｂｉｎ２
（１．ＭｅｒｃｈａｎｔＭａｒｉｎｅＣｏｌｌｅｇｅ，ＳｈａｎｇｈａｉＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１３０６，Ｃｈｉｎａ； ２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｎｅｒｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）
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 。 ［１５］ 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［７９］。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
第 ４８卷第 ９期 ２０１９年 ９月
应 用 化 工 ＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ
Ｖｏｌ．４８Ｎｏ．９ Ｓｅｐ．２０１９
基于碳纤维复合材料热性能的研究进展综述
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龙巍１，郑学林１，臧建彬２
（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）
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［１９２１］
复合材料的传热效应会对其自身的一些热机械 进行编织复合材料导热系数测定的实验，根据测试
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［１９２６］进 行 大 量 的 实 验
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｉｎｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎ ｔｈｅｆｉｅｌｄａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｄｕｅｔｏｔｈｅａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ，ｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｒｅｓｕｍｍａ ｒｉｚｅｄ．Ｒｅｌａｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄｓ，ｓｕｍｍｅｄｕｐｔｈｅｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｃａｎｆｕｒｔｈｅｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｌａｗｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆ ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｒｅｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ；ｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｒｅｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄｓ
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 开 ［１１］ 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 中 ［１０，１２１４］ 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
Ｅ－ｍａｉｌ：１０９４７２７５２６＠ｑｑ．ｃｏｍ 通讯联系人：臧 建 彬 （１９７３－），男，河 北 保 定 人，教 授 级 高 工，从 事 制 冷 及 低 温 工 程 方 面 研 究。电 话：１３６６１６６４５３４，
Ｅ－ｍａｉｌ：９８７９８＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ
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应用化工
第 ４８卷
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。
摘 要：综述了碳纤维复合材料在热性能方面的研究现状以及在其领域的应用，由于复合材料传热具有各向异性 的特点，使得复合材料间传热性能存在差异，同时归纳了碳纤维复合材料热性能的相关研究方法，总结分析了影响 碳纤维复合材料的热性能的因素，能够进一步了解其传热变化规律。最后，对碳纤维复合材料在实际的应用前景 进行了展望。 关键词：碳纤维；热性能；复合材料；研究方法 中图分类号：ＴＱ３４２＋．９４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－３２０６（２０１９）０９－２２５１－０５
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，