紡織結(jié)構(gòu)樹脂基復(fù)合材料熱傳導(dǎo)性能研究進展*

王亞蘭，李煜煒，王慧云，王 萍，李媛媛，張 巖

(蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

利用傳統(tǒng)紡織技術(shù)，將高性能纖維束以一定的規(guī)律相互結(jié)合在一起形成預(yù)制件，然后以樹脂為基體，通過固化工藝制成的復(fù)合材料為紡織結(jié)構(gòu)樹脂基復(fù)合材料(Textile Structure Resin Matrix Composite，TSRMC)。TSRMC以其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域的使用過程中往往伴隨著劇烈的高溫環(huán)境，因此TSRMC的熱傳導(dǎo)性能對其使用壽命具有重要意義。按照結(jié)構(gòu)分類，常見的TSRMC有單向纖維增強樹脂基復(fù)合材料(Unidirectional Fiber Reinforced Resin Matrix Composite，UFRC)如圖1(a)、二維紡織結(jié)構(gòu)樹脂基復(fù)合材料(Two-Dimensional Textile Structure Resin Matrix Composite，2DTRC)如圖1(b)、三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(Three-Dimensional Textile Structure Resin Matrix Composite，3DTRC)如圖1(c)。

(a)單向纖維增強復(fù)合材料

在2DTRC和3DTRC中，纖維經(jīng)過復(fù)雜的交織，形成多種多樣的結(jié)構(gòu)，在復(fù)合材料內(nèi)部構(gòu)成了方向多變的熱通道，給紡織復(fù)合材料熱學(xué)性能研究帶來了很大的困難。但是預(yù)制件結(jié)構(gòu)并不是影響TSRMC的唯一因素，基體的熱導(dǎo)率以及基體相與增強體相之間的界面同樣也對TSRMC的熱傳導(dǎo)性

能起著至關(guān)重要的作用。因此要想獲得高導(dǎo)熱效果的TSRMC，可以通過提高基礎(chǔ)材料熱導(dǎo)率、改善界面熱阻以及合理設(shè)計預(yù)制件結(jié)構(gòu)三個方面來實現(xiàn)。

復(fù)合材料的熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))是評價材料整體熱傳導(dǎo)性能最重要的參數(shù)，它包含有其他各種因素對熱傳導(dǎo)效果產(chǎn)生的影響，因此眾多學(xué)者們都是基于測量材料的熱導(dǎo)率來了解復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性能。熱導(dǎo)率對于準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)特性在許多工程領(lǐng)域的可靠設(shè)計具有重要意義[1]，當(dāng)使用環(huán)境溫度發(fā)生變化時，較高的熱導(dǎo)率能保證材料的正常使用，當(dāng)材料熱導(dǎo)率低，散熱不良時，會對材料產(chǎn)生破壞[2-3]。

1 熱傳導(dǎo)機理

1.1 基體材料對TSRMC熱傳導(dǎo)性能的作用機理

非金屬固體內(nèi)部的熱量是通過相鄰分子間(晶格)的碰撞傳遞的，即聲子傳熱。對于大多數(shù)聚合物，聲子熱傳導(dǎo)是主要的熱傳導(dǎo)途徑。在溫度高的地方，晶格中結(jié)點上的微粒振動能較大，產(chǎn)生的聲子較多。在溫度低的地方，微粒振動能較小，產(chǎn)生的聲子較少。當(dāng)材料具有高結(jié)晶度和高取向時，有利于形成較多的聲子，聲子在取向上的傳遞速度也較快。聚合物材料的大分子鏈?zhǔn)菬o定形排列的，在熱傳導(dǎo)時，分子的振動會產(chǎn)生大量的聲子散射，因此絕大多數(shù)聚合物是熱的不良導(dǎo)體。

在基體材料中填充具有高導(dǎo)熱效果的填料時，能夠有效地提高材料的熱傳導(dǎo)性能。但是分散填料在基體材料中的分布狀態(tài)難以控制，而三維網(wǎng)格填料能夠為聲子提供連續(xù)有效的熱通道。因此，三維網(wǎng)格填料對復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性的提高要比分散填料對復(fù)合材料熱導(dǎo)率的提高效果好[4]。對于已經(jīng)具有一定空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的TSRMC，Sun等人[5]采用靜電植絨的方法在二維織物交替層中，有效地填充了碳纖維。填料在厚度方向上取向排列，提高了2DTRC厚度方向的熱導(dǎo)率。Liu等人[6]在UFRC的富樹脂區(qū)加入石墨烯，同樣也能夠顯著增強復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。

1.2 界面熱阻對TSRMC熱傳導(dǎo)性能的影響

基體相和增強體相之間存在一個不完全接觸的界面，界面中有不流通的空氣，不利于聲子的傳遞，研究結(jié)果表明，兩相之間界面處的熱阻對復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性能產(chǎn)生了顯著的影響[7]。為了減少界面空氣熱阻，王登武等人[8]采用化學(xué)鍍的方法在碳纖維(CF)上鍍上一層銀膜，得到的酚醛樹脂/Ag-CF導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著Ag-CF含量的增加而逐漸增加，結(jié)果表明，Ag-CF復(fù)合材料的熱導(dǎo)率顯著高于不鍍銀的CF復(fù)合材料。Badakhsh等人[9]用氮化硼(BN)包覆碳纖維，并探討了包覆層對聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。Li等人[10]在玻璃纖維上沉積碳納米管提高了復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。Xu等人[11]在考慮熱解碳(PyC)界面的基礎(chǔ)上預(yù)測了平紋C/SiC的導(dǎo)熱系數(shù)。研究表明，涂層厚度和導(dǎo)熱纖維的表面特征對增強聚合物復(fù)合材料的傳熱起著至關(guān)重要的作用[12-13]。這些研究通過不同的方法，改善了兩相之間界面接觸情況，減少了界面空氣對復(fù)合材料熱傳導(dǎo)性能的影響。

2 多維紡織結(jié)構(gòu)對TSRMC熱傳導(dǎo)性能的影響

2.1 單向纖維結(jié)構(gòu)

UFRC由單向碳纖維堆疊、層鋪，再通過樹脂固化而成，結(jié)構(gòu)簡單，所以無論是從理論分析角度還是從數(shù)值模擬角度來看，都能夠很好地探討其熱傳導(dǎo)性能。在結(jié)構(gòu)方面，纖維的取向?qū)?fù)合材料的熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響，為了研究這一變量的作用機制，人們首先是從理論方面對UFRC進行了分析。

為了探究纖維取向?qū)?fù)合材料熱傳導(dǎo)性能的作用規(guī)律，F(xiàn)ang等人[14]采用理論計算、實驗研究、有限元分析三種方法，相互驗證了UFRC的熱傳導(dǎo)情況。如圖2所示，當(dāng)半徑與厚度之比(r/z)大于tanθ時，熱導(dǎo)率隨著θ的增加而下降，當(dāng)r/z接近tanθ時，熱導(dǎo)率急劇下降，當(dāng)r/z小于tanθ時，隨著θ的增加，熱導(dǎo)率變化緩慢且理論值與實驗及模擬數(shù)值存在偏差，有限元分析結(jié)果顯示這是由于傳熱路徑由連續(xù)形變?yōu)殇忼X形造成的。這也說明了高性能纖維的添加為聲子的傳遞提供了連續(xù)有效的途徑，這也是為什么大量學(xué)者的研究結(jié)果顯示當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)與有效的纖維取向能得到導(dǎo)熱效果更好的UFRC[15-18]。表1列舉了不同材料和纖維取向熱導(dǎo)率的數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)高性能纖維以及良好取向的纖維對材料熱導(dǎo)率提高有著積極的作用。

圖2 不同纖維取向的單向纖維增強復(fù)合材料熱導(dǎo)率實驗、模擬和公式計算結(jié)果[14]

表1 不同纖維材料在不同取向下熱導(dǎo)率對比 W/(m·K)

2.2 二維紡織結(jié)構(gòu)

2DWRC的預(yù)制件由二維織物構(gòu)成，包括平紋、緞紋、斜紋等。改變2D織物的經(jīng)緯紗密度、紗線細(xì)度、組織結(jié)構(gòu)等都可以改變2DWRC的結(jié)構(gòu)。對于平紋以及其他的典型2D織物，一些學(xué)者運用理論知識對其熱傳導(dǎo)性進行研究[20]。隨著科技的發(fā)展與計算機技術(shù)的成熟，越來越多的學(xué)者采用實驗和有限元分析的方法來探討TSRMC的熱傳導(dǎo)性能[21-23]。在有限元分析方面，根據(jù)二維織物周期性的結(jié)構(gòu)特點，建立了代表性體積單元(Representative Volume Element，RVE)來計算材料的熱導(dǎo)率是研究TSRMC熱傳導(dǎo)性能的重要方法[24-26]。2DWRC具有微觀、細(xì)觀和宏觀三個不同結(jié)構(gòu)尺度[27]，從不同尺度進行分析可以更加全面地了解2DWRC的熱傳導(dǎo)情況，與實際結(jié)果更加接近，也能夠更好地詮釋復(fù)合材料宏觀熱傳導(dǎo)情況。

研究結(jié)果表明，無論何種結(jié)構(gòu)，纖維與樹脂的體積分?jǐn)?shù)占比對2DWRC有效導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生重要影響。C/SiC復(fù)合材料等效熱導(dǎo)率隨著碳纖維體積分?jǐn)?shù)(質(zhì)量)的增加而下降，這是由于碳纖維的熱導(dǎo)率小于SiC基體的熱導(dǎo)率[28-30]。Zheng等人[31]采用數(shù)值模擬的方法，研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對玻璃纖維織物隔熱性能的影響，結(jié)構(gòu)參數(shù)包含組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)紗密度和紗線細(xì)度三種。鄭等人[32]為研究紡織材料在熱流沖擊下的熱傳遞性能，以碳纖維平紋織物為例，利用電子顯微鏡獲得紗線的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、經(jīng)緯紗交織路徑及橫截面形狀，建立碳纖維織物單元結(jié)構(gòu)模型，利用有限元法數(shù)值求解織物厚度方向上的溫度隨時間變化曲線。

2.3 三維紡織結(jié)構(gòu)

三維織物常見的有三維正交、角聯(lián)鎖、編織三種。在空間上，特別是在厚度方向(Z向)上，3DTRC具有更多的熱通道，厚度及纖維的交織方式、排列方式、體積分?jǐn)?shù)等因素都會對3DTRC的熱傳導(dǎo)性能產(chǎn)生影響。3DTRC的熱傳導(dǎo)機制復(fù)雜，數(shù)學(xué)方法研究適用性差，因此實驗和計算機模擬的方法被大量地引入到三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性能當(dāng)中[33]。

三維正交機織復(fù)合材料(Three-dimensional Orthogonal Woven Composite Material，3DOWC)中Z紗是復(fù)合材料的主要熱通道[34]。Zhao等人[35]的研究結(jié)果表明，在熱流方向上的纖維體積分?jǐn)?shù)越高，材料在厚度方向上的導(dǎo)熱效果越好。形成這一現(xiàn)象的原因主要是碳纖維軸向熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于樹脂的熱導(dǎo)率，碳纖維體積分?jǐn)?shù)越高，更有利于聲子的傳播。

三維編織復(fù)合材料(Three-dimensional Braided Composite，3DBC)的預(yù)制件結(jié)構(gòu)較為簡單、規(guī)律性強，是很多學(xué)者的研究對象[36]。眾多的研究結(jié)果表明，三維編織物的編織角對復(fù)合材料的熱導(dǎo)率有重要影響。編織角越大，材料厚度方向上的導(dǎo)熱效果越好[37-38]。Kiani等人[39]設(shè)計了一種測量3DBC樣品不同位置溫度的裝置并采用ANSYS瞬態(tài)熱分析的方法，獲得了3DBC不同方向上的熱導(dǎo)率。結(jié)果顯示，100℃以下溫度變化和纖維取向?qū)向熱導(dǎo)率影響不大，而在面內(nèi)方向上纖維取向?qū)釋?dǎo)率有顯著影響。Wang等人[40]設(shè)計并制備了三維玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，增加纖維的交織度可以改變其熱阻，交織度越高，熱阻越大，導(dǎo)熱能力越低。

三維角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料(Three-dimensional Corner Interlocking Composite，3DCIC)具多層經(jīng)紗和緯紗，經(jīng)緯紗相互交織[41]。Dong等人[42]從實驗測量和有限元分析兩個方面研究了3DCIC沿經(jīng)緯向和厚度方向的導(dǎo)熱性能。Song等人[43]采用瞬態(tài)熱線法(THWM)測量了3DCIC的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果表明THWM也可以用來測量3DCIC的導(dǎo)熱系數(shù)。3DCIC的導(dǎo)熱系數(shù)隨經(jīng)紗的體積分?jǐn)?shù)和紗線直徑的變化而變化。李等人[44]采用有限元法分別建立碳纖維束微觀結(jié)構(gòu)模型和三維碳纖維織物增強碳基復(fù)合材料單胞結(jié)構(gòu)模型，計算穩(wěn)態(tài)熱邊界條件下的碳纖維束等效熱導(dǎo)率和碳基復(fù)合材料等效熱導(dǎo)率，研究碳纖維直徑和單絲間距對碳纖維束軸向、徑向熱導(dǎo)率及碳基復(fù)合材料沿厚度方向熱導(dǎo)率的影響。

除了以上常規(guī)的三維織物外，還有一些特殊形狀的TSRMC在工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著作用。例如Kumar等人[45]采用激光閃射法，研究了硅化條件對三維縫合纖維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料熱擴散系數(shù)的影響。Lee等人[46]利用熱阻的定義，建立了多軸無紡布復(fù)合材料有效導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值模型。近年來，以三維紡織結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的凈成形復(fù)合材料的研究已成為熱點。

3 結(jié)語

隨著研究理論、實驗方法、研究方式的完善，學(xué)者們對紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料熱傳導(dǎo)性能的研究也越來越深入。逐漸從早期對導(dǎo)熱系數(shù)的測量，轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯繌?fù)雜紡織結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料整體熱傳導(dǎo)性能的影響。當(dāng)前對TSRMC導(dǎo)熱性能的研究并不完善，還未清楚地了解到具有復(fù)雜紡織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)機制。此外，在應(yīng)用時不僅要考慮熱傳導(dǎo)性能，還需要考慮相應(yīng)材料的力學(xué)性能是否符合要求。因此，要想了解紡織品組織結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料熱傳導(dǎo)性能的影響，得到不同導(dǎo)熱系數(shù)對應(yīng)的參數(shù)，然后進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，科學(xué)家們還有很長一段路要走。