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1、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1c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
2、的长度变化AL温度曲线，平均线膨胀系数a为：以_ K，1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， T=T2-T1 为温度差，C； a石英为对应于(T2-T1)石英的线膨胀系数，取0.51X10-6/C； 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：a L:纤维方向的线膨胀系数；a T：上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
3、仪的加热板上，达到稳定后，精确测定试样 两侧的温差由加热板的功率W和面积S，可求出复合材料的热导率入：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，C。实际测定时同时测：入L:纤维方向的热导率；入T：上上纤维方向的热导率。平均比热容:1g物质温度升高1C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。r _ HQr + .ILp M（一 L 盘）式
4、中H为量热计热值，J/C； t0为落样时刻的量热计温度，C； t0为量热 计最高温度，C； M为测验后试样质量，g； t为试样在保温期的温度，C； td 为量热计温度修正值，C。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
5、热和热变形温度的测试仪示意如图1、2,两者比较见表。马丁耐热和熟袤形温度方法名称马丁耐热魏变形温度加载力式与应 力大小施加悬臂梁式珂曲 载荷，试样弯曲成力 为 SMPa施加筒支梁式弯 曲载荷（三盘式弯 曲），试样弯曲应 力为K82MPa或 0.45SMFa试样变形值24Uimi长的横杆末 端指示器下降6mm试佯厚度为15mm 时最大摄度值为 0.21mm试样尺寸15mm X10mm120irm X l(hnm X 15mm升温速度50 V A12.0 V/h加热介质空气介质,烘箱内硅油介质.浴槽内传热效果传热效果较差传燧致果较好本测定中国现仍在使用.其他国家已逐渐淘汰，日 前世界上用玻璃化转变
6、温度兀来表征箜合材料的而热性 能，然变形温度测定仪I一负荷泊一百分表温度计Z-试样团定架一浴槽洒一试样a2马丁耐热试验仪示意图1重锤口一橙杆;一试样*4底座;5燮形括示传;&温度计玻璃化转变温度：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
7、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、结品、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。(
8、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
9、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、结品和熔化过程，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950C 土 10C的炽热硅碳棒相接触，根据试样的燃
10、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
11、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 C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 X 103 J /(kg K )和 2. 278 X 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 X 103J /(kg K)和 1. 713 X103 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
12、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 C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 C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 C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。参考文献：1 曹云海.飞机碳刹车盘用针刺毡的研究J.航空精密制造技术，1995, 31(2):32-34.2 王忠.针刺碳纤维毡生产工艺初探J.新型炭材料,1996, 11(4):35-36.:3丘哲明.固体火箭发动机材料与工艺M.北京宇航出版社，1995.:4苏君明，崔红，李瑞珍，等.新型针刺炭布C /C复合材料的结构与性能J.新型炭材料，2000, 15(2):11-15.5 Savage G. Ca rbon-carbon composites M . Cham pm an&H all, London, 1993.
