瀝青基碳-碳復(fù)合材料熱導(dǎo)率的理論研究.pdf

1、碳/碳復(fù)合材料是一種超導(dǎo)熱復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，如飛機(jī)的剎車片，火箭的喉管和導(dǎo)彈的彈頭等。碳/碳復(fù)合材料主要由碳纖維、基體以及孔隙和裂紋組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱導(dǎo)率影響因素眾多，其熱導(dǎo)率的測(cè)量存在諸多困難。因此，在真實(shí)材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展一套預(yù)測(cè)碳/碳復(fù)合材料熱導(dǎo)率的理論模型顯得尤為重要。瀝青基碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用廣泛，且結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，本文針對(duì)瀝青基碳/碳復(fù)合材料的真實(shí)結(jié)構(gòu)，建立預(yù)測(cè)其熱導(dǎo)率的模型。
　　在本文研究中，考慮到

2、基體碳中不同區(qū)域的熱導(dǎo)率不同，首先建立了納米尺度的模型，描述了不同石墨化度下的石墨微晶尺寸和傾角不同，用等效電路法建立了石墨微晶熱導(dǎo)率與微晶尺寸和傾角的關(guān)系;擴(kuò)大到微米尺度上考慮基體碳的非均勻性等影響因素，發(fā)展了一套能夠分別準(zhǔn)確預(yù)測(cè)沿纖維軸向和徑向熱導(dǎo)率的傳熱模型。此模型考慮了以瀝青基為基體的碳/碳復(fù)合材料，并同時(shí)與5組沿纖維軸向和徑向熱導(dǎo)率的不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明當(dāng)前模型能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)碳/碳復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。模型除了考慮基體

3、碳的非均勻性外，同時(shí)考慮到碳纖維熱導(dǎo)率（徑向和軸向）、纖維體積含量、纖維直徑、整體孔隙率、界面（考慮界面相厚度、界面中的孔隙率）等因素的影響，由于某些參數(shù)實(shí)驗(yàn)無(wú)法給出準(zhǔn)確測(cè)量值，模型參數(shù)只能在一定的范圍內(nèi)擬合，從而降低了模型的可操作性。
　　為了減少模型的擬合參數(shù)，本文發(fā)展了一套預(yù)測(cè)瀝青基碳/碳復(fù)合材料熱導(dǎo)率的數(shù)值模型，模型不僅考慮了碳纖維、界面等因素的影響，尤其對(duì)基體碳的非均勻性給出了更加細(xì)化的研究，同時(shí)為預(yù)測(cè)雙向甚至三向纖維的

4、碳/碳復(fù)合材料熱導(dǎo)率模型提供了思路。模型預(yù)測(cè)結(jié)果與已知的5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)各影響因素給出了具體分析。結(jié)果表明，基體碳的非均勻性對(duì)熱導(dǎo)率的影響體現(xiàn)在:最靠近纖維處的基體碳片層的熱導(dǎo)率數(shù)值不同;基體碳非均勻性變化率對(duì)熱導(dǎo)率的影響。此外，最貼近纖維處的基體碳的石墨材料沿纖維軸向熱導(dǎo)率與碳/碳復(fù)合材料沿纖維軸方向的熱導(dǎo)率成線性關(guān)系，當(dāng)模型結(jié)構(gòu)相同時(shí)，線性變化率相同，此規(guī)律的發(fā)現(xiàn)可以為碳/碳復(fù)合材料軸向熱導(dǎo)率的測(cè)量提供依據(jù)，同時(shí)為制備高