纺织结构树脂基复合材料热传导性能研究进展*

王亚兰，李煜炜，王慧云，王 萍，李媛媛，张 岩

(苏州大学纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021)

利用传统纺织技术，将高性能纤维束以一定的规律相互结合在一起形成预制件，然后以树脂为基体，通过固化工艺制成的复合材料为纺织结构树脂基复合材料(Textile Structure Resin Matrix Composite，TSRMC)。TSRMC以其优异的结构性能广泛应用于航空航天等领域，在这些领域的使用过程中往往伴随着剧烈的高温环境，因此TSRMC的热传导性能对其使用寿命具有重要意义。按照结构分类，常见的TSRMC有单向纤维增强树脂基复合材料(Unidirectional Fiber Reinforced Resin Matrix Composite，UFRC)如图1(a)、二维纺织结构树脂基复合材料(Two-Dimensional Textile Structure Resin Matrix Composite，2DTRC)如图1(b)、三维纺织结构复合材料(Three-Dimensional Textile Structure Resin Matrix Composite，3DTRC)如图1(c)。

(a)单向纤维增强复合材料

在2DTRC和3DTRC中，纤维经过复杂的交织，形成多种多样的结构，在复合材料内部构成了方向多变的热通道，给纺织复合材料热学性能研究带来了很大的困难。但是预制件结构并不是影响TSRMC的唯一因素，基体的热导率以及基体相与增强体相之间的界面同样也对TSRMC的热传导性

能起着至关重要的作用。因此要想获得高导热效果的TSRMC，可以通过提高基础材料热导率、改善界面热阻以及合理设计预制件结构三个方面来实现。

复合材料的热导率(导热系数)是评价材料整体热传导性能最重要的参数，它包含有其他各种因素对热传导效果产生的影响，因此众多学者们都是基于测量材料的热导率来了解复合材料的热传导性能。热导率对于准确预测复合材料的热传导特性在许多工程领域的可靠设计具有重要意义[1]，当使用环境温度发生变化时，较高的热导率能保证材料的正常使用，当材料热导率低，散热不良时，会对材料产生破坏[2-3]。

1 热传导机理

1.1 基体材料对TSRMC热传导性能的作用机理

非金属固体内部的热量是通过相邻分子间(晶格)的碰撞传递的，即声子传热。对于大多数聚合物，声子热传导是主要的热传导途径。在温度高的地方，晶格中结点上的微粒振动能较大，产生的声子较多。在温度低的地方，微粒振动能较小，产生的声子较少。当材料具有高结晶度和高取向时，有利于形成较多的声子，声子在取向上的传递速度也较快。聚合物材料的大分子链是无定形排列的，在热传导时，分子的振动会产生大量的声子散射，因此绝大多数聚合物是热的不良导体。

在基体材料中填充具有高导热效果的填料时，能够有效地提高材料的热传导性能。但是分散填料在基体材料中的分布状态难以控制，而三维网格填料能够为声子提供连续有效的热通道。因此，三维网格填料对复合材料的热传导性的提高要比分散填料对复合材料热导率的提高效果好[4]。对于已经具有一定空间网状结构的TSRMC，Sun等人[5]采用静电植绒的方法在二维织物交替层中，有效地填充了碳纤维。填料在厚度方向上取向排列，提高了2DTRC厚度方向的热导率。Liu等人[6]在UFRC的富树脂区加入石墨烯，同样也能够显著增强复合材料的热导率。

1.2 界面热阻对TSRMC热传导性能的影响

基体相和增强体相之间存在一个不完全接触的界面，界面中有不流通的空气，不利于声子的传递，研究结果表明，两相之间界面处的热阻对复合材料的热传导性能产生了显著的影响[7]。为了减少界面空气热阻，王登武等人[8]采用化学镀的方法在碳纤维(CF)上镀上一层银膜，得到的酚醛树脂/Ag-CF导热复合材料的导热系数随着Ag-CF含量的增加而逐渐增加，结果表明，Ag-CF复合材料的热导率显著高于不镀银的CF复合材料。Badakhsh等人[9]用氮化硼(BN)包覆碳纤维，并探讨了包覆层对聚合物基复合材料导热性能的影响。Li等人[10]在玻璃纤维上沉积碳纳米管提高了复合材料的热导率。Xu等人[11]在考虑热解碳(PyC)界面的基础上预测了平纹C/SiC的导热系数。研究表明，涂层厚度和导热纤维的表面特征对增强聚合物复合材料的传热起着至关重要的作用[12-13]。这些研究通过不同的方法，改善了两相之间界面接触情况，减少了界面空气对复合材料热传导性能的影响。

2 多维纺织结构对TSRMC热传导性能的影响

2.1 单向纤维结构

UFRC由单向碳纤维堆叠、层铺，再通过树脂固化而成，结构简单，所以无论是从理论分析角度还是从数值模拟角度来看，都能够很好地探讨其热传导性能。在结构方面，纤维的取向对复合材料的热导率产生影响，为了研究这一变量的作用机制，人们首先是从理论方面对UFRC进行了分析。

为了探究纤维取向对复合材料热传导性能的作用规律，Fang等人[14]采用理论计算、实验研究、有限元分析三种方法，相互验证了UFRC的热传导情况。如图2所示，当半径与厚度之比(r/z)大于tanθ时，热导率随着θ的增加而下降，当r/z接近tanθ时，热导率急剧下降，当r/z小于tanθ时，随着θ的增加，热导率变化缓慢且理论值与实验及模拟数值存在偏差，有限元分析结果显示这是由于传热路径由连续形变为锯齿形造成的。这也说明了高性能纤维的添加为声子的传递提供了连续有效的途径，这也是为什么大量学者的研究结果显示当纤维体积分数与有效的纤维取向能得到导热效果更好的UFRC[15-18]。表1列举了不同材料和纤维取向热导率的数据对比，可以发现高性能纤维以及良好取向的纤维对材料热导率提高有着积极的作用。

图2 不同纤维取向的单向纤维增强复合材料热导率实验、模拟和公式计算结果[14]

表1 不同纤维材料在不同取向下热导率对比 W/(m·K)

2.2 二维纺织结构

2DWRC的预制件由二维织物构成，包括平纹、缎纹、斜纹等。改变2D织物的经纬纱密度、纱线细度、组织结构等都可以改变2DWRC的结构。对于平纹以及其他的典型2D织物，一些学者运用理论知识对其热传导性进行研究[20]。随着科技的发展与计算机技术的成熟，越来越多的学者采用实验和有限元分析的方法来探讨TSRMC的热传导性能[21-23]。在有限元分析方面，根据二维织物周期性的结构特点，建立了代表性体积单元(Representative Volume Element，RVE)来计算材料的热导率是研究TSRMC热传导性能的重要方法[24-26]。2DWRC具有微观、细观和宏观三个不同结构尺度[27]，从不同尺度进行分析可以更加全面地了解2DWRC的热传导情况，与实际结果更加接近，也能够更好地诠释复合材料宏观热传导情况。

研究结果表明，无论何种结构，纤维与树脂的体积分数占比对2DWRC有效导热系数产生重要影响。C/SiC复合材料等效热导率随着碳纤维体积分数(质量)的增加而下降，这是由于碳纤维的热导率小于SiC基体的热导率[28-30]。Zheng等人[31]采用数值模拟的方法，研究了不同结构参数对玻璃纤维织物隔热性能的影响，结构参数包含组织结构、经纱密度和纱线细度三种。郑等人[32]为研究纺织材料在热流冲击下的热传递性能，以碳纤维平纹织物为例，利用电子显微镜获得纱线的几何结构参数、经纬纱交织路径及横截面形状，建立碳纤维织物单元结构模型，利用有限元法数值求解织物厚度方向上的温度随时间变化曲线。

2.3 三维纺织结构

三维织物常见的有三维正交、角联锁、编织三种。在空间上，特别是在厚度方向(Z向)上，3DTRC具有更多的热通道，厚度及纤维的交织方式、排列方式、体积分数等因素都会对3DTRC的热传导性能产生影响。3DTRC的热传导机制复杂，数学方法研究适用性差，因此实验和计算机模拟的方法被大量地引入到三维纺织结构复合材料的热传导性能当中[33]。

三维正交机织复合材料(Three-dimensional Orthogonal Woven Composite Material，3DOWC)中Z纱是复合材料的主要热通道[34]。Zhao等人[35]的研究结果表明，在热流方向上的纤维体积分数越高，材料在厚度方向上的导热效果越好。形成这一现象的原因主要是碳纤维轴向热导率远远高于树脂的热导率，碳纤维体积分数越高，更有利于声子的传播。

三维编织复合材料(Three-dimensional Braided Composite，3DBC)的预制件结构较为简单、规律性强，是很多学者的研究对象[36]。众多的研究结果表明，三维编织物的编织角对复合材料的热导率有重要影响。编织角越大，材料厚度方向上的导热效果越好[37-38]。Kiani等人[39]设计了一种测量3DBC样品不同位置温度的装置并采用ANSYS瞬态热分析的方法，获得了3DBC不同方向上的热导率。结果显示，100℃以下温度变化和纤维取向对Z向热导率影响不大，而在面内方向上纤维取向对热导率有显著影响。Wang等人[40]设计并制备了三维玻璃纤维增强树脂基复合材料，研究发现，增加纤维的交织度可以改变其热阻，交织度越高，热阻越大，导热能力越低。

三维角联锁机织复合材料(Three-dimensional Corner Interlocking Composite，3DCIC)具多层经纱和纬纱，经纬纱相互交织[41]。Dong等人[42]从实验测量和有限元分析两个方面研究了3DCIC沿经纬向和厚度方向的导热性能。Song等人[43]采用瞬态热线法(THWM)测量了3DCIC的导热系数，结果表明THWM也可以用来测量3DCIC的导热系数。3DCIC的导热系数随经纱的体积分数和纱线直径的变化而变化。李等人[44]采用有限元法分别建立碳纤维束微观结构模型和三维碳纤维织物增强碳基复合材料单胞结构模型，计算稳态热边界条件下的碳纤维束等效热导率和碳基复合材料等效热导率，研究碳纤维直径和单丝间距对碳纤维束轴向、径向热导率及碳基复合材料沿厚度方向热导率的影响。

除了以上常规的三维织物外，还有一些特殊形状的TSRMC在工业领域中发挥着作用。例如Kumar等人[45]采用激光闪射法，研究了硅化条件对三维缝合纤维结构复合材料热扩散系数的影响。Lee等人[46]利用热阻的定义，建立了多轴无纺布复合材料有效导热系数的数值模型。近年来，以三维纺织结构为基础的净成形复合材料的研究已成为热点。

3 结语

随着研究理论、实验方法、研究方式的完善，学者们对纺织结构复合材料热传导性能的研究也越来越深入。逐渐从早期对导热系数的测量，转变为研究复杂纺织结构对复合材料整体热传导性能的影响。当前对TSRMC导热性能的研究并不完善，还未清楚地了解到具有复杂纺织结构的复合材料的热传导机制。此外，在应用时不仅要考虑热传导性能，还需要考虑相应材料的力学性能是否符合要求。因此，要想了解纺织品组织结构对复合材料热传导性能的影响，得到不同导热系数对应的参数，然后进行结构设计，科学家们还有很长一段路要走。