纤维增强树脂基复合材料的微结构及隔热性能

发布时间：2020-09-02 19:30

　　近年来,随着船舶运输、新型航天飞行器、工业大型燃机及军事工业的高速发展,随之而来的是对高性能隔热材料研究发展的迫切需求。对于高性能隔热材料来说,优异的隔热防热性能是必不可少的,与此同时还需具备良好的力学性能以及更轻质的属性来减少设备运行的能量损耗。本实验研究了碳纤维增强酚醛树脂基复合材料,以密度小、热导率低、力学性能较强的碳增强碳纤维骨架材料作为增强体,酚醛树脂作为基体,制备出高性能的隔热材料。由于制备工艺中对骨架进行了压滤成型工艺,故分别在平行于成型方向和垂直于成型方向上,材料的结构、性能参数等均不相同,表现出各向异性,通过扫描电镜可以看到两个不同方向上的微观形貌的区别。材料内碳纤维分别在两个方向上呈随机分布和平行排布,纤维孔隙间充填着存在孔隙的酚醛树脂。通过多种方式测量材料的密度,分别得出表观密度以及真密度的值,通过两个值可以看出,材料的内部孔隙较为丰富。由氮气吸附仪测得的数据,可以得到等温脱吸附曲线。根据回滞环的形状,由图可看出属于H3型迟滞回线,孔隙不均匀,孔为片状粒子堆积形成的狭缝孔,且多为介孔。通过电子万能试验机对材料两个方向分别进行压缩,可以分析出在平行于成型方向上比垂直于成型方向上更抗压。对材料进行差示扫描-热重分析(DSC-TG)以及热导率分析,并将材料分别置于温度为200℃、300℃、400℃、600℃、800℃、1000℃下进行高温热处理,并对材料各温度处理后的样品进行微观形貌(SEM)、红外吸收光谱图(FI-IR)、X射线衍射(XRD)等进行测试分析。从样品宏观可以看出,复合材料随着加热温度的上升,样品颜色由黄绿色变为褐色最终变为黑色,试样保持完整的形貌,样品表面无裂纹等缺陷。从微观形貌来看,经过高温后,复合材料材料内部的纤维结构并没有发生改变,材料没有增加明显开裂、孔洞等缺陷,浸渍在碳纤维骨架内部的酚醛树脂经过高温发生热解,但是从结构上来看,仍然保持了均匀的孔隙结构。材料导热系数为0.2748 W/(m·K),材料经过30~1200℃共失重36.5%,且800℃之后,失重速率开始变得很小。经过红外光谱分析可知,随着加热温度的升高,材料内羟基、碳碳双键、醚键等相继被炭化,并释放出小分子气体,直至完全炭化,材料成分几乎不会变化为止。根据材料的各项性能数据可以说明材料是刚性的轻质隔热材料。利用ANSYS软件对材料进行热分析模拟,先对材料进行建模、网格划分、输入参数等前处理建立了隔热材料仿真模型,再对仿真模型进行计算、后处理等操作,完成了对其隔热性能的稳态热分析和瞬态热分析。通过稳态热分析得到了隔热材料内部的稳定的温度分布云图,而瞬态热分析得到了在没有达到稳定状态之前不同时间的温度分布云图。通过稳态热分析中对流面以及材料内部温度分布可以看出,以某一温度稳态热分析时,最终的上表面稳定温度一般约为热载荷温度的一半。由于试样模型较轻薄,可以看出在高温下,材料仍然具有较好的隔热性能。由试样各部位温度随时间变化曲线可以看出,在瞬态热分析的过程中,随加热温度升高,达到稳态的时间增长的幅度远小于升温速率,材料受热达到稳态时间较短,便不再继续升温,材料具有较好的隔热性能。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB332
【部分图文】：

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着船舶、新型航天飞行器、工业大型燃机及军事工业的高速发展，一般性已经逐渐不能够满足实际的需求，各个领域对隔热材料提出了更加严格些新型高速航天飞行器和船舶的隔仓板和大型轮机上，其表面的工作温高温部位温度可达 2000℃以上，这种严酷的热环境和机器复杂的结构，必的系统各方面性能的提高。这就需要防护材料必须采用超低的热导率，超能，有一定的强度和硬度的超级隔热材料，只有这样，才能高效减少机器部位向机身或船体内部传递热量，并且可以承受高温、强烈的热冲击、高苛的工作环境。维增强法是提高材料力学性能的有效方法之一[1]，增强纤维的类型也是多增强复合材料因为拥有着较强的高温稳定性而备受人们关注。上世纪 60树岭国家实验室开始着手研究碳粘结碳纤维复合材料，这种材料是一种低碳/碳复合材料，具有高孔隙率、低密度、优异的耐高温特性以及良好的结被广泛用作隔热材料、吸附材料等，比如用于真空气氛炉作为设备的绝

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有较大发展潜力的隔热保温材料是纳米多孔超级绝热材料。1.2.2 隔热材料的分类实际生产生活中，有着各种各样的隔热材料，为了方便使用和研究，通常将隔热材料按照以下几个方面划分，主要有材料的化学成分、材料的结构特点、材料的形态以及材料的使用温度这四个方面。（1）按化学成分即材质来分类隔热材料有金属隔热材料、无机和有机隔热材料这三类。有机隔热材料：有机隔热材料的制备原料有很多种，通常以树脂或者聚合物为原料，例如在有机聚合物中加入稳定剂和发泡剂，加热后发泡即可制得。有机隔热材料的特点有容重小、孔隙率高、热导率低、易成型和加工等，故经常用于建筑物的保温系统、油罐和工业管道的隔热层等，然而由于有机高分子的固有性质，有机隔热材料也有其缺点，如虽然它的热导率小，但耐高温性能差，高温下容易分解和燃烧，不能用于高温领域。此外有机隔热材料还有易老化、强度低、易吸湿、长期使用有毒等缺点。

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哈尔滨工程大学硕士学位论文这类材料常用于船舶舱室的隔热或者其他常温容器系统等。高温隔热材料：它的使用温度大约在 1000℃以上，常见材料如刚玉砖等，通常用于航空航天，船舶运输，大型工业燃机等隔热材料的应用中。1.3 碳纤维增强树脂基复合材料1.3.1 短切碳纤维骨架增强的概述能够在复合材料中增强基体力学性能的材料称为增强材料[19]，作为增强材料的纤维在复合材料中的主要作用就是给予复合材料较高的强度和高的模量来承受外来载荷。性能优良的增强材料应拥有下面的优点：具备高的强度、高的模量、耐化学腐蚀、耐高温等。因此，近年来研制出很多新的增强纤维，生产生活中常用的有以下几种，如碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维等[18,20]，各种纤维都有其各自的特点，根据它们性能的不同决定了在不同场合的应用。

【参考文献】