2.5D角联锁机织复合材料热传导性能研究.pdf

第 41 卷2023 年第 3 期产业用纺织品Technical Textiles 研究报告 2.5D 角联锁机织复合材料热传导性能研究高畅畅 陈芷彤 沈天乐 王 萍 张 岩苏州大学 纺织与服装工程学院,江苏 苏州 215021摘 要:首先采用碳纤维分别制备了不同经纱层数、经纱倾斜角度和经纱密度的 2.5D 层间正交角联锁机织物和 2.5D 层间斜交角联锁机织物;然后,以机织物为增强体、以环氧树脂为基体,采用真空辅助树脂传递模压成型技术制备了 2.5D 角联锁机织复合材料;最后,采用自制的平面稳态热源装置和激光导热仪测试复合材料在厚度方向上的热传导性能。结果表明:经纱层数较小、经纱倾斜角度及经纱密度较大时,复合材料表层升温速率较快,且平衡状态时表层温度较高;同种结构的 2.5D 角联锁机织复合材料,经纱层数多、经纱倾斜角度及经纱密度大,热导率大。研究结果为高强、高导热复合材料的优化设计提供了试验基础。关键词:热传导性能;2.5D 角联锁机织复合材料;正交;斜交;经纱层数;经纱倾斜角度;经纱密度;经纱体积分数中图分类号:TB 332 文献标志码:A文章编号:1004-7093(2023)03-0021-07 基金项目:国家级大学生创新创业训练计划项目(202110285037);江苏省高等学校自然科学研究重大项目(22KJA540002);江苏省先进纺织工程技术中心开放课题基金科研项目(XJFZ/2021/3);中国纺织工业联合会科技指导性项目(2020064)收稿日期:2022-12-03作者简介:高畅畅,女,2003 年生,在读本科生,主要研究方向为纺织复合材料通信作者:张岩,教授,博士,yanzhang86 引用格式:高畅畅,陈芷彤,沈天乐,等.2.5D 角联锁机织复合材料热传导性能研究J.产业用纺织品,2023,41(3):21-27.GAO C C,CHEN Z T,SHEN T L,et al.Study on thermal conductivity of 2.5D angle-interlock woven compositesJ.Technical Textiles,2023,41(3):21-27.Study on thermal conductivity of 2.5D angle-interlock woven compositesGao Changchang,Chen Zhitong,Shen Tianle,Wang Ping,Zhang YanCollege of Textile and Clothing Engineering,Soochow University,Suzhou 215021,Jiangsu,ChinaAbstract:Firstly,2.5D interlaminar orthogonal angle-interlock woven fabrics and 2.5D interlaminar skew angle-interlock woven fabrics with different number of warp layers,warp tilt angles and warp densities were prepared using carbon fibers.Then,2.5D angle-interlock woven composites were prepared by vacuum assistant resin transfer molding method with woven fabrics as reinforcement and epoxy resin as matrix.Finally,thermal conductivity of the composites along the thickness direction was measured by self-made planar steady-state heat source device and laser conductometer.The results showed that the temperature of surface layer of the composites rose faster with the lower the number of warp layer,the higher the warp tilt angle and the warp density,and the higher the 12 研究报告 产业用纺织品Technical TextilesVol.41Mar.2023temperature at the equilibrium state.The thermal conductivity of 2.5D angle-interlock woven composites with the same structure increased with the increase of the number of warp layer,the warp tilt angle and the warp density.The results provide theoretical basis for the optimal design of high strength and high thermal conductivity composite materials.Keywords:thermal conductivity;2.5D angle-interlock woven composite;orthogonal;skew;the number of warp layer;warp tilt angle;warp density;warp volume fraction 在航空航天领域,导热结构件通常会面临长期性或周期性的热作用,故航空发动机冷端部位1、微型电子元器件电磁屏蔽外壳2等亟需高导热兼具轻质、高强等性能的材料来制备。现有的传统导热材料已不能完全满足上述需求,如金属及其氧化物材料虽导热性能良好,但无法进行轻量化设计;聚合物基高分子材料质轻,但热导率偏低,这极大地限制了其在热传导领域的应用;传统的添加了碳纳米管、石墨、碳化硅等导热填料的高分子聚合物,虽热导率有所提升,但填料的分散性会影响其强度。2.5D 角联锁机织复合材料(2.5D angle-interlock woven composite,2.5D AWC)不仅克服了传统层合板复合材料容易产生层间开裂的缺点3-7,还巧妙地利用了纤维作为各向异性体沿其轴向性能最好的特性,在厚度方向上形成纤维路径,具有可设计性好等优势,可满足特殊环境对材料的要求(如结构质轻、承载性能高、导热性能优等)。目前,有关三维纺织结构复合材料厚度方向导热性能的研究并不多。Zheng 等8采用数值模拟的方法,研究了组织结构、经纱密度和纱线线密度等参数对玻璃纤维织物隔热性能的影响;Sharp 等9将高导热纱线放置在材料厚度方向上,发现当高导热纱线体积分数仅为 5.5%时,材料厚度方向上的热导率比层合板材料的提高了 12 倍。Zhao 等10对三维正交机织复合材料的研究结果表明,沿热流方向上的纤维体积分数越高,材料在该方向上的导热效果越好。基于此,本文将对复合材料的结构参数进行设计,以提升复合材料板面外方向上的热传导效果。复合材料热传导性能的优劣主要取决于高性能纤维的热传导性能和预制件的结构两方面。在高性能纤维中,碳纤维具有良好的热传导性能,能形成树脂基复合材料的主要热传导通道。热传输方向随着预制件中纤维的铺设方向而改变,因此良好的结构设计可以改善复合材料的热传导性能11-15。本文将以碳纤维为增强体、树脂为基体,通过复合工艺制备碳纤维机织增强树脂基复合材料,对复合材料中织物结构参数进行设计,使其在材料厚度方向形成连续的热传导通道,提高复合材料在厚度方向上的热传导性能,并探讨热传导性能与织物结构参数之间的关系,以期为设计质轻、强度高、成本低、热传导性能优异的复合材料提供参考。1 试验样品的制备与测试1.1 材料试验用材料为碳纤维 T300-6K(日本东丽公司),热固性环氧树脂 JC-02A 和固化剂 JC-02B(常熟佳发化学有限公司),具体参数如表 1 所示。表 1 材料参数Tab.1 Material parameters材料名称型号25 下黏度/(MPa s)密度/(g cm-3)直径/m热导率/(W m-1 K-1)碳纤维T300-6K1.7679.00(轴向);1.18(径向)热固性树脂JC-02A2 340.01.120.18固化剂JC-02B64.81.2 2.5D 角联锁机织物结构设计 在单向纤维复合材料和二维织物复合材料中,纤维均在面内分布,它们较难在厚度方向上形成热传导通道。三维正交机织复合材料可设计性较差。而 2.5D 角联锁机织物可以兼顾三维结构及可设计性。22第 41 卷2023 年第 3 期产业用纺织品Technical Textiles 研究报告 本文将设计 2 种典型的经纱接结 2.5D 角联锁机织物,并采用真空辅助树脂传递模压成型技术(vacuum assistant resin transfer molding,VARTM)制备 2 种2.5D AWC,即2.5D 层间斜交角联锁机织复合材料(2.5D interlaminar skew angle-interlock composite,2.5D ISAC)和 2.5D 层间正交角联锁机织复合材料(2.5D interlaminar orthogonal angle-interlock composite,2.5D IOAC)。制备的 2.5D 角联锁机织物的具体结构参数如表 2 所示,其中三维机织物的层数一般以纬纱层数为依据,本文经纱密度指每层每厘米的经纱排列根数。图 1 以 3#和 7#样品中 2.5D 角联锁机织物为例给出了 2 种结构的示意。表 2 2.5D AWC 中 2.5D 角联锁机织物结构参数Tab.2 Structural parameters of 2.5D angle-interlock woven fabrics in 2.5D AWCs2.5D AWC 样品编号2.5D 角联锁机织物结构经纱层数纬纱层数经纱密度/根 (cm 层)-1 经纱倾斜角度()/()1#2.5D 层间斜交角联锁12817.042#2.5D 层间斜交角联锁23817.713#2.5D 层间斜交角联锁34819.864#2.5D 层间斜交角联锁45817.315#2.5D 层间正交角联锁12825.186#2.5D 层间正交角联锁23824.037#2.5D 层间正交角联锁34825.878#2.5D 层间正交角联锁45821.949#2.5D 层间斜交角联锁12617.3310#2.5D 层间斜交角联锁23617.2011#2.5D 层间斜交角联锁34618.9412#2.5D 层间斜交角联锁45617.5613#2.5D 层间正交角联锁12624.7914#2.5D 层间正交角联锁23626.0815#2.5D 层间正交角联锁34624.4616#2.5D 层间正交角联锁45622.38图 1 2.5D 角联锁机织物结构示意Fig.1 Structure diagrams of 2.5D angle-interlock woven fabrics1.3 热传导性能测试 考虑到红外热成像仪测得的温度数据是一组离散数值,较难针对不同的样品构建准确的温度-时间曲线,故本文根据 ASTM C 518 Standard Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus 自制