纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料低溫性能研究

劉 璐，王志瑾

（1. 南京航空航天大學(xué)飛行器先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南京，210016；2. 南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院，南京，210016）

0 引 言

隨著低溫工程、航天運(yùn)載器、低溫超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)低溫下材料性能的要求越來(lái)越高，常規(guī)的金屬材料已不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，耐低溫、比強(qiáng)度高、比模量高的復(fù)合材料越來(lái)越受到重視。環(huán)氧樹(shù)脂因其在低溫下模量高、強(qiáng)度大、熱導(dǎo)率低等特點(diǎn)從各類(lèi)復(fù)合材料基體中脫穎而出，成為耐低溫復(fù)合材料的首選基體材料，其纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在低溫下的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能是復(fù)合材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料因其比強(qiáng)度比模量高、抗疲勞性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)在國(guó)防民用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，更因其低溫力學(xué)性能優(yōu)異、熱導(dǎo)率低的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在低溫領(lǐng)域，例如低溫容器中的隔熱結(jié)構(gòu)和低溫超導(dǎo)磁體的絕緣支撐中。1996年美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在RLV計(jì)劃中利用IM7碳纖維/8552-2環(huán)氧復(fù)合材料成功研制了DC-XA全復(fù)合材料液氫儲(chǔ)箱，并成功進(jìn)行了一系列試驗(yàn)驗(yàn)證[1]；2005年美國(guó)空軍科特蘭研究實(shí)驗(yàn)室使用碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂采用濕法纏繞成型工藝制作了直徑0.25 m，長(zhǎng)0.46 m的原型無(wú)內(nèi)襯復(fù)合材料儲(chǔ)箱[2]；2014年NASA宣布完成了由環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料制造的極低溫火箭燃料儲(chǔ)箱的系列試驗(yàn)，使用該復(fù)合材料可以使儲(chǔ)箱減重30%，成本降低25%[3]。中科院等離子體物理研究所先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克核聚變裝置和歐洲核子中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中的低溫超導(dǎo)磁體裝置都應(yīng)用了纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料作為絕緣材料[4]。

本文首先介紹了環(huán)氧樹(shù)脂、幾種常用纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料低溫下的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，然后對(duì)室溫和低溫下各類(lèi)纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的力學(xué)和導(dǎo)熱性能進(jìn)行了對(duì)比，分析了各溫度范圍內(nèi)最適用的纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料，最后指出了現(xiàn)有研究的不足之處。

1 環(huán)氧樹(shù)脂低溫下的性能

1.1 低溫下的力學(xué)性能

環(huán)氧樹(shù)脂具有粘結(jié)性強(qiáng)、絕緣性好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐熱、耐濕、耐化學(xué)性好等優(yōu)點(diǎn)，并因其易成形、固化收縮率小、固化時(shí)不釋放揮發(fā)物、適應(yīng)多種生產(chǎn)工藝等特點(diǎn)成為應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料基體之一。表1為環(huán)氧樹(shù)脂在低溫和室溫下的力學(xué)性能。文獻(xiàn)[5]給出了液氦溫度（4.2 K）及液氮溫度（77 K）下環(huán)氧樹(shù)脂的力學(xué)性能（見(jiàn)表1第2、3列），文獻(xiàn)[6]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量了室溫到液氧溫度（93 K）溫度范圍內(nèi)雙酚F型環(huán)氧樹(shù)脂拉伸模量、拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變隨溫度的變化規(guī)律（見(jiàn)表1第4、5列），雙酚F型環(huán)氧樹(shù)脂的拉伸模量、拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度均隨著溫度的降低而提高，壓縮強(qiáng)度較拉伸強(qiáng)度有更大的提升，斷裂應(yīng)變隨著溫度的降低有明顯減小。綜上所述，隨著溫度的降低，環(huán)氧樹(shù)脂表現(xiàn)出彈性模量升高，拉伸、壓縮強(qiáng)度增大，斷裂應(yīng)變減小的脆化特性。

表1 環(huán)氧樹(shù)脂在低溫和室溫下的力學(xué)性能 Tab.1 Mechanical Properties of Epoxy Resin at Low Temperature and Room Temperature

1.2 低溫下的導(dǎo)熱性能

熱導(dǎo)率又稱(chēng)導(dǎo)熱系數(shù)，是物質(zhì)的基本熱物性參數(shù)之一，可以用來(lái)表征材料導(dǎo)熱性能的優(yōu)劣。環(huán)氧樹(shù)脂是一種非晶態(tài)結(jié)構(gòu)材料，經(jīng)長(zhǎng)期研究證明非晶態(tài)固體材料在極低溫環(huán)境中的熱導(dǎo)率會(huì)表現(xiàn)出如下特性：隨著環(huán)境溫度的升高，材料熱導(dǎo)率的變化曲線總體呈上升趨勢(shì)，在1～30 K溫度范圍內(nèi)，曲線的斜率很小幾乎接近于0，在30 K～Tg（玻璃化溫度）溫度范圍內(nèi)，熱導(dǎo)率隨溫度升高近似線性增長(zhǎng)，當(dāng)溫度超過(guò)Tg后，熱導(dǎo)率則會(huì)隨溫度的升高而下降。圖1為兩種不同牌號(hào)的環(huán)氧樹(shù)脂熱導(dǎo)率隨溫度變化的曲線[5～7]，觀察可知熱導(dǎo)率隨外界溫度變化的規(guī)律符合上述特性。

圖1 環(huán)氧樹(shù)脂熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線 Fig. 1 Thermal Conductivity of Epoxy Resins Varying with Temperatures

2 碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料低溫下的性能

2.1 低溫下的力學(xué)性能

碳纖維具有高強(qiáng)度、高剛度、低密度、高疲勞極限和沿纖維方向負(fù)的熱膨脹系數(shù)，它的熱導(dǎo)率高，導(dǎo)電性好，摩擦系數(shù)小，并具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。根據(jù)碳纖維的力學(xué)性能可以將其分為以下4種：超高模量（Ultra High Modulus，UHM）碳纖維、高模量（High Modulus，HM）碳纖維、超高強(qiáng)度（Ultra High Strength， UHS）碳纖維和高強(qiáng)度（High Strength，HS）碳纖維，其拉伸力學(xué)性能如表2所示[8]，隨著碳纖維模量的升高，其拉伸強(qiáng)度會(huì)降低。

表2 室溫下各種碳纖維的拉伸力學(xué)性能 Tab.2 Tensile Mechanical Properties of Carbon Fibers at Room Temperature

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同模量碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨溫度的變化情況并不相同，如表3所示。隨著環(huán)境溫度的降低，高模量碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的提高并不明顯，中模量（Medium Modulus，MM）碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度略有提高，低模量高強(qiáng)度碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的提高最為明顯。文獻(xiàn)[10]研究了T300和T700高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)D-400/DETD/EP樹(shù)脂體系室溫和77 K下的拉伸強(qiáng)度，試驗(yàn)證明T300/A、T300/B、T700/A、T700/B 4種 體 系（A: 0%D-400/DETD/EP；B: 40%D- 400/DETD/EP）77 K下的拉伸強(qiáng)度較室溫下分別提高了1.98%，11.47%，10.91%和16.90%。文獻(xiàn)[6]測(cè)量了液氧溫度（93 K）和室溫下單向T700碳纖維增強(qiáng)雙酚F型環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料縱向（沿纖維方向）和橫向（垂直纖維方向）拉伸強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果表明93 K下的橫向拉伸強(qiáng)度和模量都明顯高于室溫，93 K下的縱向拉伸強(qiáng)度也高于室溫，但93 K下的縱向拉伸模量與室溫相比變化并不明顯。

表3 單向碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料室溫和低溫下的拉伸強(qiáng)度 Tab.3 Tensile Strength of Unidirectional Carbon Fiber / Epoxy Composites at Room Temperature and Low Temperature

2.2 低溫下的導(dǎo)熱性能

研究表明碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率也與碳纖維的種類(lèi)有關(guān)，相同溫度下不同種類(lèi)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率存在差異，但其熱導(dǎo)率都隨溫度的降低而減小。文獻(xiàn)[11]通過(guò)試驗(yàn)的方法對(duì)2.7～20.1 K溫度范圍內(nèi)，T300及T700 /環(huán)氧復(fù)合材料沿纖維方向的熱導(dǎo)率進(jìn)行了測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果表明兩者的熱導(dǎo)率都隨溫度的降低而減小，當(dāng)溫度高于11 K時(shí)T300/環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率略高于T700/環(huán)氧復(fù)合材料，相較于前者，后者熱導(dǎo)率隨溫度的變化較為緩慢。

室溫下單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率是各向異性的，由于室溫下纖維的熱導(dǎo)率一般高于環(huán)氧樹(shù)脂基體，因此單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料沿纖維方向的熱導(dǎo)率最高。圖2給出了T300和M40A兩種碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料在不同纖維方向上的熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線[5]，隨著溫度的降低，碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料各向異性的特征會(huì)逐漸減弱，當(dāng)溫度降到10 K以下時(shí)，碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料在纖維縱向和橫向上的熱導(dǎo)率幾乎相等，這意味著在極低溫度下碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將與碳纖維的取向無(wú)關(guān)，此時(shí)碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率是各向同性的。

圖2 碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料不同纖維方向上的熱導(dǎo)率隨溫度變化 Fig.2 Thermal Conductivity in Different Fiber Directions of Carbon Fiber / Epoxy Composites Varying with Temperatures

3 玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料低溫下的性能

3.1 低溫下的力學(xué)性能

玻璃纖維具有成本低，絕熱、絕緣、耐化學(xué)腐蝕性好，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度高，斷裂延伸率小等特點(diǎn)。常用的兩種玻璃纖維為：E玻璃纖維，堿含量低于2%，電絕緣性能好，具有抗腐蝕性和高電阻；S玻璃纖維，具有高強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度比E玻璃纖維高40%，彈性模量比E玻璃纖維高18%。玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量高，耐疲勞、耐腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，在航空航天、船舶建筑等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

文獻(xiàn)[12]對(duì)以往文獻(xiàn)中玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料在20 K、77 K、200 K、295 K下的力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析得出，在77～295 K溫度范圍內(nèi)玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的初始拉伸模量和極限壓縮強(qiáng)度都隨著溫度的降低而升高，77 K時(shí)單向玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的極限拉伸強(qiáng)度約為295 K時(shí)的1.3倍，當(dāng)溫度從77 K下降到20 K時(shí)玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)隨著溫度的降低拉伸強(qiáng)度可能會(huì)增加、減少或保持不變，文獻(xiàn)[12]中選取的一組代表性數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)溫度從77 K下降到20 K時(shí)，玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的極限拉伸強(qiáng)度下降了5%左右。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的數(shù)據(jù)做出了S玻璃纖維及E玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料在4 K、77 K及室溫下的拉伸和壓縮強(qiáng)度對(duì)比，如圖3所示，當(dāng)溫度從室溫下降到77 K時(shí)E及S玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度都隨溫度的降低而增大，當(dāng)溫度低于77 K時(shí)拉伸強(qiáng)度隨溫度的降低而減小，其中S玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度隨溫度變化的曲線與文獻(xiàn)[12]中的數(shù)據(jù)吻合良好。E及S玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度在4～77 K溫度范圍內(nèi)變化不大，當(dāng)溫度從77 K升高到室溫時(shí)壓縮強(qiáng)度隨著溫度的升高迅速降低。在0～300 K溫度范圍內(nèi)，S玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸和壓縮強(qiáng)度都高于E玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料。

圖3 玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料拉伸及壓縮強(qiáng)度隨溫度變化 Fig.3 Tensile and Compressive Strength of Glass Fiber / Epoxy Composites Varying with Temperatures

文獻(xiàn)[8]通過(guò)試驗(yàn)證明77 K下E玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度較室溫有較大提升，增量約為34%。表4列出了E玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料室溫及77 K下兩組拉伸強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度從室溫下降到77 K時(shí)E玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了30%左右。文獻(xiàn)[8]通過(guò)數(shù)值模擬的方法證明玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料低溫下拉伸強(qiáng)度提高的主要原因是低溫下纖維強(qiáng)度的提升，驗(yàn)證了文獻(xiàn)[9]中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料低溫下拉伸強(qiáng)度和模量的提高主要取決于低溫下纖維強(qiáng)度和模量的提升這一推測(cè)。

表4 單向E玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料室溫和低溫下的拉伸強(qiáng)度 Tab.4 Tensile Strength of Unidirectional E-Glass Fiber / Epoxy Composites at Room Temperature and Low Temperature

3.2 低溫下的導(dǎo)熱性能

文獻(xiàn)[12]對(duì)以往文獻(xiàn)中玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料在4～295 K溫度范圍內(nèi)的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明在4～295 K溫度范圍內(nèi)單向玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨溫度的降低而降低，4 K時(shí)的熱導(dǎo)率約為295 K時(shí)的1/4。室溫下玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料表現(xiàn)出各向異性，不同鋪層方向的玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料測(cè)出的熱導(dǎo)率差異很大，但隨著溫度的降低各向異性的特征逐漸減弱，當(dāng)溫度降到4 K時(shí)不同鋪層方向的玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率趨于相等，這與碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨溫度降低表現(xiàn)出的各向趨于同性的性質(zhì)相同。室溫下S玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率高于E玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，低溫下兩者的熱導(dǎo)率沒(méi)有太大區(qū)別[13]。

4 凱夫拉纖維/環(huán)氧復(fù)合材料低溫下的性能

4.1 低溫下的力學(xué)性能

凱夫拉纖維是20世紀(jì)70年代美國(guó)杜邦公司工業(yè)化投產(chǎn)的全對(duì)位芳香族聚酰胺纖維，其強(qiáng)度是普通鋼的5～6倍，韌性是普通鋼的2倍，密度約為普通鋼的1/6，具有很高的拉伸強(qiáng)度和模量，在高溫和低溫下都能夠保持良好的力學(xué)性能[14]。與碳纖維和玻璃纖維相比，凱夫拉纖維的拉伸強(qiáng)度與碳纖維相當(dāng)，拉伸模量介于碳纖維和玻璃纖維之間，但密度明顯低于碳纖維和玻璃纖維。雖然凱夫拉纖維具有非常高的拉伸強(qiáng)度和模量，但是它的壓縮性能較差，并且和許多纖維一樣，承受切向載荷的能力較弱，剪切強(qiáng)度較低。凱夫拉纖維與基體復(fù)合后的材料稱(chēng)為凱夫拉復(fù)合材料，又稱(chēng)芳綸復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、低密度、耐沖擊和尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。表5列出了Kevlar49/環(huán)氧復(fù)合材料室溫和低溫下的拉伸及壓縮性能[9]，當(dāng)溫度從室溫下降到4 K時(shí)，除拉伸強(qiáng)度外，Kevlar49/環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸模量和壓縮強(qiáng)度都有明顯的提高。

表5 單向Kevlar49/環(huán)氧復(fù)合材料室溫和低溫下的力學(xué)性能 Tab.5 Mechanical Properties of Unidirectional Kevlar49 / Epoxy Composites at Room Temperature and Low Temperature

4.2 低溫下的導(dǎo)熱性能

凱夫拉纖維在很寬溫度范圍內(nèi)都保持著極低的熱導(dǎo)率，文獻(xiàn)[15]和文獻(xiàn)[16]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量了Kevlar49纖維在0.1～3.2 K及7～290 K溫度范圍內(nèi)的熱導(dǎo)率，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了公式擬合，擬合公式如式（1）和式（3）所示。根據(jù)文獻(xiàn)中給出的擬合公式可以做出0.1～290 K溫度范圍內(nèi)Kevlar49纖維熱導(dǎo)率隨溫度變化的曲線，如圖4所示，其中AB段和CD段是根據(jù)擬合公式（1）和（3）所作，由于原文獻(xiàn)中并未進(jìn)行3.2～7 K（即BC段）溫度范圍內(nèi)Kevlar49纖維熱導(dǎo)率的試驗(yàn)測(cè)量，因此根據(jù)AB段和CD段曲線的趨勢(shì)可以作出理想的BC段曲線，并得到BC段的擬合公式，如式（2）所示。從補(bǔ)充完整的0.1～290 K溫度范圍內(nèi)Kevlar49纖維熱導(dǎo)率隨溫度變化的曲線圖中可以看出，室溫下Kevlar49纖維的熱導(dǎo)率很低，低于4 W/（m·K），隨著溫度的降低Kevlar49纖維的熱導(dǎo)率還會(huì)繼續(xù)下降，溫度越低熱導(dǎo)率下降的速度越快。

圖4 Kevlar49纖維熱導(dǎo)率隨溫度變化 Fig.4 Thermal Conductivity of Kevlar49 Fiber Varying with Temperatures

式中 k為Kevlar49纖維的熱導(dǎo)率；T為Kevlar49纖維所在的環(huán)境溫度。

由于目前凱夫拉纖維/環(huán)氧復(fù)合材料低溫下熱導(dǎo)率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)還很少，因此根據(jù)文獻(xiàn)[15]和[16]中查到的Kevlar49纖維的熱導(dǎo)率和文獻(xiàn)[5]中查到的環(huán)氧樹(shù)脂基體的熱導(dǎo)率按體積比公式計(jì)算可以得到60%纖維含量的Kevlar49/環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，將體積比計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表6第5行）與文獻(xiàn)[9]中查到的凱夫拉纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率（見(jiàn)表6第6行）進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)體積比計(jì)算得到的熱導(dǎo)率與已有文獻(xiàn)中查到的熱導(dǎo)率十分接近，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性及用體積比計(jì)算的可行性。文獻(xiàn)[17]通過(guò)試驗(yàn)得到室溫下Kevlar49/環(huán)氧復(fù)合材料沿纖維方向和垂直纖維方向熱導(dǎo)率的比值約為14.8，證明Kevlar49/環(huán)氧復(fù)合材料室溫下的熱導(dǎo)率呈明顯的各向異性。

表6 凱夫拉纖維、環(huán)氧樹(shù)脂及其復(fù)合材料在低溫和室溫下的熱導(dǎo)率 Tab.6 Thermal Conductivity of Kevlar Fiber, Epoxy Resin and Their Composites at Low Temperature and Room Temperature

5 各類(lèi)纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料室溫和低溫下的性能對(duì)比

5.1 力學(xué)性能對(duì)比

選取碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料中強(qiáng)度較高的HS碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料及模量較高的HM碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料中強(qiáng)度和模量均較高的S玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，凱夫拉纖維/環(huán)氧復(fù)合材料中的Kevlar49/環(huán)氧復(fù)合材料對(duì)它們室溫及低溫下的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。圖5至圖7為4 K、77 K、295 K溫度下各類(lèi)單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和壓縮強(qiáng)度對(duì)比圖，圖中4條柱形分別表示HS碳纖維/環(huán)氧、HM碳纖維/環(huán)氧、S玻璃纖維/環(huán)氧以及Kevlar49/環(huán)氧[9]。對(duì)于拉伸強(qiáng)度，S玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料在室溫和低溫下均有最好的表現(xiàn)，其次是HS碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，HM碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料在室溫和低溫下的拉伸強(qiáng)度最低，Kevlar49/環(huán)氧復(fù)合材料在室溫和低溫下拉伸強(qiáng)度差異不大，其各溫度下的拉伸強(qiáng)度介于HS碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料與HM碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料之間。對(duì)于拉伸模量，拉伸強(qiáng)度最低的HM碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料在各溫度下的拉伸模量遠(yuǎn)高于其他3種纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料，拉伸強(qiáng)度最高的S玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料在各溫度下的拉伸模量是這4種纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料中最低的，HS碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料各溫度下的拉伸模量略高于Kevlar49/環(huán)氧復(fù)合材料。對(duì)于壓縮強(qiáng)度，與HS碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料相比，室溫下S玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的壓縮性能較差，但在低溫下S玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度約為HS碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的2倍，凱夫拉纖維本身的壓縮性能較差，其纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的壓縮性能也是幾種纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料中最差的，HM碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度介于HS碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料與Kevlar49/環(huán)氧復(fù)合材料之間。

圖5 不同溫度下單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度對(duì)比 Fig. 5 Comparison of Tensile Strength of Unidirectional Fiber Reinforced Epoxy Composites at Different Temperatures

圖6 不同溫度下單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料拉伸模量對(duì)比 Fig. 6 Comparison of Tensile Modulus of Unidirectional Fiber Reinforced Epoxy Composites at Different Temperatures

圖7 不同溫度下單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度對(duì)比 Fig. 7 Comparison of Compressive Strength of Unidirectional Fiber Reinforced Epoxy Composites at Different Temperatures

5.2 導(dǎo)熱性能對(duì)比

各類(lèi)單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料熱導(dǎo)率隨溫度變化的曲線如圖8所示[9]，從圖8中可以看出各類(lèi)纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率均隨溫度的降低而減小。HM碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料室溫下的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于HS碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，隨著溫度的降低二者熱導(dǎo)率之間的差距逐漸減小，在4 K時(shí)幾乎相等，說(shuō)明碳纖維模量對(duì)碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響隨著溫度的降低逐漸減小。在77～295 K溫度范圍內(nèi)碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率最高，玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率最低，當(dāng)溫度低于77 K時(shí)，碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率迅速下降，HM碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率在4 K時(shí)達(dá)到0.03 W/(m·K)，是這幾類(lèi)纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料中最低的，而玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料在4～77 K溫度范圍內(nèi)熱導(dǎo)率下降最為緩慢，在4 K時(shí)的熱導(dǎo)率是最高的，凱夫拉纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率一直介于碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料與玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料之間。HM碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料是這幾類(lèi)纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料中熱導(dǎo)率隨溫度變化幅度最大的，特別是在4～77 K溫度區(qū)間內(nèi)，可見(jiàn)低溫下溫度變化對(duì)碳纖維熱導(dǎo)率的影響遠(yuǎn)大于其他纖維。

圖8 各類(lèi)單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線 Fig. 8 Thermal Conductivity of Unidirectional Fiber Reinforced Epoxy Composites Varying with Temperatures

根據(jù)各類(lèi)單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料在4 K、77 K、295 K下的熱導(dǎo)率可以計(jì)算出不同溫度范圍內(nèi)各類(lèi)單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料沿纖維方向的平均熱導(dǎo)率，計(jì)算結(jié)果如表7所示，分析可知在4～77 K、77～295 K、4～295 K 3個(gè)溫度范圍內(nèi)HM碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的平均熱導(dǎo)率都是最高的，導(dǎo)熱性最好，漏熱最多，玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的平均熱導(dǎo)率是最低的，導(dǎo)熱性最差，漏熱最少。如果只考慮材料的熱導(dǎo)率，很明顯在大部分溫度范圍內(nèi)玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料更適合作為隔熱材料，HM碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料只有在溫度接近4 K時(shí)才具有優(yōu)勢(shì)。

表7 不同溫度范圍內(nèi)各類(lèi)單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的平均熱導(dǎo)率 Tab.7 Average Thermal Conductivity of Unidirectional Fiber Reinforced Epoxy Composites in Different Temperature Ranges

圖10 各類(lèi)單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料拉伸模量/熱導(dǎo)率隨溫度變化 Fig.10 Tensile Modulus / Thermal Conductivity of Unidirectional Fiber Reinforced Epoxy Composites Varying with Temperatures

熱導(dǎo)率可以衡量復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的優(yōu)劣，熱力品質(zhì)因數(shù)則可以作為衡量復(fù)合材料綜合性能的指標(biāo)，熱力品質(zhì)因數(shù)拉伸強(qiáng)度/熱導(dǎo)率，拉伸模量/熱導(dǎo)率，壓縮強(qiáng)度/熱導(dǎo)率越大，說(shuō)明材料的熱力性能越好。圖9至圖11為4～295 K溫度范圍內(nèi)各類(lèi)單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料熱力品質(zhì)因數(shù)隨溫度變化的曲線[9]，分析可知各類(lèi)纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的熱力品質(zhì)因數(shù)均隨著溫度的降低而增大，從室溫到77 K溫度范圍內(nèi)，S玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的綜合性能最好，當(dāng)溫度接近 4 K時(shí)，碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的綜合性能更佳，HS碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度/熱導(dǎo)率是這幾類(lèi)復(fù)合材料中最高的，HM碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸模量/熱導(dǎo)率和壓縮強(qiáng)度/熱導(dǎo)率是這幾類(lèi)復(fù)合材料中最高的。文獻(xiàn)[5]也研究了這幾類(lèi)纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率/拉伸模量隨溫度變化的規(guī)律，得出了相同的結(jié)論，并提出低溫和室溫下性能都很好的Al2O3增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料在某些情況下可以作為材料選擇時(shí)的一種折衷方案。

圖9 各類(lèi)單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度/熱導(dǎo)率隨溫度變化 Fig.9 Tensile Strength / Thermal Conductivity of Unidirectional Fiber Reinforced Epoxy Composites Varying with Temperatures

圖11 各類(lèi)單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度/熱導(dǎo)率隨溫度變化 Fig.11 Compressive Strength / Thermal Conductivity of Unidirectional Fiber Reinforced Epoxy Composites Varying with Temperatures

6 結(jié) 論

本文總結(jié)了近些年對(duì)纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料低溫下力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的一些研究，現(xiàn)有研究表明，纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料非常適合低溫環(huán)境中應(yīng)用，大多數(shù)纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料低溫下力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能均比室溫下有所提升。選取各類(lèi)纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料中的HS碳纖維/環(huán)氧、HM碳纖維/環(huán)氧、 S玻璃纖維/環(huán)氧、Kevlar49/環(huán)氧復(fù)合材料進(jìn)行對(duì)比分析得出，室溫到77 K溫度范圍內(nèi)玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的綜合性能最好，但玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸模量低，易發(fā)生變形，因此對(duì)變形沒(méi)有太大限制的結(jié)構(gòu)可優(yōu)先選用玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料。當(dāng)溫度低于77 K時(shí)碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，4 K時(shí)碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料具有最佳的性能表現(xiàn)。碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度在室溫和低溫下均有較好的表現(xiàn)，但在室溫到77 K溫度范圍內(nèi)的熱導(dǎo)率較高，當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)低溫下強(qiáng)度剛度要求較高但對(duì)漏熱要求不高時(shí)，碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料是種很好的選擇。凱夫拉纖維/環(huán)氧復(fù)合材料最大的缺點(diǎn)是壓縮性能差，但它在室溫和低溫下的熱導(dǎo)率很低，如果結(jié)構(gòu)只使用材料的拉伸性能，并對(duì)強(qiáng)度、剛度、熱導(dǎo)率都有一定的要求時(shí)可以選用凱夫拉纖維/環(huán)氧復(fù)合材料。根據(jù)單向碳纖維、玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料不同方向上的熱導(dǎo)率隨溫度變化的趨勢(shì)可以推測(cè)，室溫下單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率是各向異性的，但隨著溫度的降低，各向異性的特征會(huì)逐漸減弱，當(dāng)溫度降到4 K時(shí)，單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率近似于各向同性。

隨著低溫工程領(lǐng)域的發(fā)展，近些年來(lái)對(duì)纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料低溫下的性能進(jìn)行了很多研究，但仍存在以下一些不足：

a）目前中國(guó)的研究主要集中在對(duì)纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料低溫下力學(xué)性能的研究，相比之下纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料低溫下的導(dǎo)熱性能還存在很大的研究空間，特別是對(duì)玻璃纖維及凱夫拉纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料低溫（4～77 K）下導(dǎo)熱性能的研究。

b）目前對(duì)纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料低溫力學(xué)性能的研究主要集中在拉伸性能的研究，對(duì)壓縮、彎曲、剪切等載荷作用下?lián)p傷破壞的研究較少。

c）目前缺少低溫下，尤其是4 K時(shí)，纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料較新的性能參數(shù)。計(jì)算復(fù)雜鋪層的纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的性能參數(shù)需要單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料面內(nèi)縱向（沿纖維方向）和橫向（垂直纖維方向）準(zhǔn)確的拉伸、壓縮強(qiáng)度、熱導(dǎo)率等參數(shù)，目前低溫下這方面的試驗(yàn)測(cè)量還很少。