碳纤维热机能进修翻译

碳纤维热机能进修翻译碳纤维增加碳复合材料的热机能研究

摘要

碳纤维增加碳(C/C)复合材料是一种将碳或石墨纤维连系在一路的碳基体，其物理机能不光取决于其单个组分的物理机能，还取决于层的形成、材料的制备和加工。C/C复合材料的复杂构造和纤维取向为其机械、电气和热机能的调整供应了有效的手段。在本研究中，我们使用激光闪光手艺来测量碳/碳复合材料的热扩散率和导热系数。碳/碳复合材料是由碳纤维编织束的层压板构成，在石墨基体中形陋习则的、反复的正交图案。我们的实验数据表明:i) cross-plane四周的导热系数几乎连结不变(5.3±0.4)W·m−1 K−1, 370 K到1700 K的温度局限内(二)热扩散系数和热导率cross-plane纤维轴偏向是五倍小于响应的分层平面。iii)考虑有效导热系数的传导和辐射热进献的理论模型很好地描述了所测得的跨平面导热系数。

要害字：C/C复合各向异性构造固体热导率辐射热导率罗斯朗消光系数太阳热手艺。

附录：

热导率模型

凭据分歧的理论模型在文献中报道,有效导热系数κeff (T)的C / C复合材料能够透露纤维的热导率和矩阵,纤维体积分数[72],纤维质量分数[30],[12]石墨平面偏向,纤维之间的接触传热速度[19],以及两个板块之间的有效接触面积[5]。考虑到热,单个组件的几许属性,这里我们模型κeff (T)作为其固体导电(的总和(κc (T)和辐射((κr (T)进献,如下

κeff (T) =κc (T) +κr (T)

关于导电的进献,对C / C复合材料层压板构成的纤维束之间形成一个正则正交模式和分层平均纤维垫嵌入在一个坚韧的矩阵,如图5所示,在平面(κ∥)和out-plane(κ⊥)固体热导率的双向复合是由:

κ∥= nvκv∥(θ)+ nhκh∥(θ)

κ⊥=κ1⊥

在κ1⊥是垂直于单向纤维复合材料热导率(见图5),nv和nh分数纤维在垂直和水平偏向上的数量(nv + nh = 1)和κv∥(θ)和κh∥(θ)是垂直和水平的平面导热单向纤维在垂直偏向形成一个角θ轴[59]较量如下:

κv∥(θ)=κ1∥cos2(θ)+κ1⊥sin2(θ)

κh∥(θ)=κ1⊥cos2(θ)+κ1∥sin2(θ)

在κ1∥是单向纤维复合导热系数平行,如图5所示,考虑到纤维在垂直和水平偏向上的数量在图5是相等的(nv = nh = 1/2)方程式。(5a)、(6a)及(6b)屈就于:

κ∥= 12(κ1∥+κ1⊥)由式(7)可知，如图5所示，复合材料的平面内导热系数与被测偏向无关，这与Pilling等人首次展望的究竟一致。

图5：平行且垂直于单向纤维的导热元件

单向复合材料的热导率κ1∥在图6中仅仅是由系列模型,给出如下[73]:

κ1∥= fκf∥+ f (1−−p)κm∥

f和p的各自的体积分数是纤维和毛孔,而κf∥和κm∥是纤维和基质纤维的热导率在轴向偏向上。

图6:考虑三维C/C复合单元单元(右)和单纤维的导热系数构成(左)

另一方面,out-plane导热κ1⊥能够确定经由布莱格曼的模型[75][74]应用于圆柱形粒子,如下:

κκm = a + 12β2 +βa +β24

β= (1−)(1−v)

α=(κmκp + aκaf)−1

κm是一连的导热系数矩阵和κp是毛孔内空气的导热系数或多孔填料(纤维在这种情形下),他们与一个界面热阻R,被aκ= Rκm卡皮查半径[76],房颤的平均半径的填料体积分数v和κ整体复合材料热导率。考虑到纤维和矩阵像一个有效矩阵与圆柱孔所代表的纤维(见图7),若是我们把κm =κ1⊥(p = 0),和κp = 0(空气导热系数),R→∞方程式和v = p。(9a)至(9c)，个中:

κ1⊥= (1−p) 2κm

由式(10)可知，孔隙的存在降低了基体和纤维的有效导热系数(1 - p)2。的热导率κ1⊥(p = 0)如今能够经由重用方程式较量。(9)(9 c)κm =κm⊥,κp =κf⊥和v = f / (1−p)纤维的体积分数仅在固体基质。在做了这些替代之后。(9a)至(9c)，将所得究竟与式(10)连系，获得:

k1⊥= (1−p) 2公里⊥(⊥+ 12β⊥2 +β⊥⊥+β⊥24)(11)

在β⊥⊥是由方程式。(9 b)和c(9),对κm⊥,κf⊥和v = f / (1−p)。Eq。(11)认为的影响半径、纤维体积分数f p的孔隙度和界面热阻r .热导率κ1∥和κ1⊥与单向纤维复合从而确定整体热导率κ⊥和κ∥双向复合图5所示。

图7:矩阵和纤维被认为是具有圆柱孔的有效矩阵，用纤维透露

单根碳纤维的平面内和平面外导热系数

要较量C/C复合材料的导热系数作为温度的函数(式11)，需要知道单个碳纤维和纯基体(不含碳纤维)的轴向和横领导热系数的数据。用H。S Huang等[77]。他们较量了直石墨片的平面内和平面外导热系数。模拟的等效横领导热系数对幻想纤维为50.8 W·m - 1 K - 1，对真实纤维为12 Wm - 1 K - 1。是以,我们能够把值27的各向异性因子(κ∥/κ⊥),一个值与文献报道一致[62]。我们也能够假设这个因子不随温度[30]的转变而发生显著转变。C. Pradere等[78]报道了由沟通原料制成的单碳纤维在750 K到2000 K温度局限内的纵领导热系数，并将其露出在与本文研究的C/C复合材料雷同的热处理情况中。在750 ~ 2000k温度局限内，纤维的面外导热系数可调整为表达式[78]:

κP (T) = 5.5045 + 4.97 x10−3 T−4.78 x10−6 t2 + 1.20 x10−9 t3(12)

辐射导热系数

多孔材料的有效导热系数能够用固体导热系数和辐射导热系数来透露(因为气体对流导热系数相对于其他传热机制的数值较低，平日被忽略)。辐射电导(κr (T))是基于Rosseland扩散近似[82],[83],它能够透露:

κr (T) = 163σsbn2 (T)σe T3 (T)(15)

σe (T)是Rosseland平均消光系数[84]这是一个光谱消光系数的平均值(σe,ν(T)加权由本地光谱能量通量,σSB是斯蒂芬玻尔兹曼常数(5.67×10−8 W·m−2 K−4), n是有效折射率在这项工作(n = 1)。界说罗西朗平均消光系数为:

1σe (T) =∫0∞1σeν(T)∂我(T,ν)∂T dν∫0∞∂我(T,ν)∂T dν(16)

∂我(T,ν)∂T = 2 h2ν4κbt2c2ehνκbt (ehνκBT−1) 2(16 b)

我在哪里∂(T,ν)/∂T是普朗克的温度微分方程。为平均介质,考虑σe,ν(T)自力的厚度,凭据比尔定律:

σe,νd (T) =−ln(τn,ν(T))(17)

d样品的厚度和τn,λ(T)是光谱透射率的百分比,可测量与傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪。图8显露了光谱透射率百分比(τnλ(T)对两个样本(600和800±30μm厚度)获得红外光谱分光计,和Rosseland平均消光系数(σe (T)与情商较量。(16)。

图8

图八：光谱透过率百分比(τnλ(T))经由红外光谱谱两个样本(600和800±30μm厚度)。插图图对应于Rosseland平均消光系数(σe (T))较量为温度的函数(Eq。16)

图9为有效导热系数(Eq. 4)、固体导热系数(Eq. 14)和辐射导热系数(Eq. 15)随温度的函数关系。C/C复合材料在1000k以下的有效导热系数首要由固体导热系数(99.4%)决意。然而，当温度跨越1000 K时，辐射电导率的进献会显著增加，直到2000 K时达到C/C复合材料有效电导率的4.5%。