短切碳纖維骨架材料的力學(xué)及導(dǎo)熱性能研究.pdf

1、碳粘結(jié)碳纖維復(fù)合材料(carbonbonded carbon fiber composites CBCF)，是一種低密度的短纖維碳/碳復(fù)合材料，具有高孔隙率、低密度、優(yōu)異的耐高溫特性以及較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，被廣泛用作氣氛熱解爐以及通用熱源燃料倉的隔熱材料。同時(shí)，利用該材料為增強(qiáng)相，通過浸漬酚醛樹脂氣凝膠得到新型超輕質(zhì)燒蝕型熱防護(hù)復(fù)合材料，可廣泛應(yīng)用于航空航天飛行器的熱防護(hù)領(lǐng)域。
　　本文采用低熱導(dǎo)率的粘膠基碳纖維，通過水性漿料壓濾成

2、型、干燥、固化、碳化等工藝流程，制備了碳粘結(jié)碳纖維復(fù)合材料，這是一種是由裂解碳粘結(jié)相互獨(dú)立的短切纖維構(gòu)成的高孔隙率碳/碳復(fù)合材料。材料表面及內(nèi)部纖維分布均勻，沒有團(tuán)聚，成束，分層等缺陷，碳纖維在高溫處理后保持其原有的長直結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在加壓過程中短切碳纖維趨向垂直于壓力方向的面內(nèi)排布，纖維在垂直于壓力的方向形成層狀結(jié)構(gòu)而在平行于壓力方向的平面內(nèi)隨機(jī)分布。這種微觀結(jié)構(gòu)的各向異性決定了其力學(xué)和熱物理性能的各向異性。短切碳纖維骨架材料的壓縮性能具

3、有各向異性特點(diǎn)。在壓力平行于材料成型時(shí)加壓排水方向的平行壓縮過程，材料中表現(xiàn)出一定的“假”塑性特點(diǎn)，在與之垂直方向進(jìn)行橫向壓縮過程中材料表現(xiàn)出與塑性材料類似的特征。材料的平行壓縮強(qiáng)度S和彈性模量E隨纖維長度的增加而降低，隨材料密度增大而增加，并且密度越高受材料密度變化的影響越大；橫向壓縮時(shí)材料的屈服強(qiáng)度和能量密度基本不受纖維長度影響，隨材料密度增加而增大。針對(duì)短切碳纖維骨架材料沿不同方向簡化的二維模型、材料整體的三維模型計(jì)算其熱導(dǎo)率，分

4、析各項(xiàng)異性特點(diǎn)。改變纖維取向和密度，通過隨機(jī)生長-生成方法建立了二維條件下的材料模型，并利用格子Boltzmann方法求解材料熱導(dǎo)率。結(jié)果顯示纖維取向角的限值為90°時(shí)，纖維在平面內(nèi)呈隨機(jī)分布，材料導(dǎo)熱呈現(xiàn)各向同性特點(diǎn)，隨著纖維取向角限值θ的減小，材料沿溫度梯度方向熱導(dǎo)率逐漸增大，垂直于溫度梯度方熱導(dǎo)率逐漸減小，其各項(xiàng)異性程度顯著增加；材料熱導(dǎo)率隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加呈近似線性的增長趨勢。利用GeoDict軟件根據(jù)纖維取向張量建立了不同