【西安高强绝缘电气】分享：纤维方向对环氧树脂/玻纤复合材料的导热性能有什么影响？

●—≺ 前言 ≻—●

环氧树脂/玻璃纤维复合材料（EP/GF）是以环氧树脂为基体，玻璃纤维为增强材料的复合材料，由于其具有轻质高强、耐腐蚀性强且介电良好等优势，正被广泛应用于航天航空、建筑、军事装备等领域。

为探究EP/GF用作低温储罐支撑构件时的适用性，笔者采用TPS法和瞬态热线法测试材料导热性能，拟合EP/GF在低温下的热导率。

并针对磨损前和38μm砂纸打磨条件下的EP/GF，研究其导热性能变化，从各向异性特性以及微观结构揭示引起导热性能变化的机理，为储罐漏热分析提供数据支撑。

●—≺ 热导率测定试验 ≻—●

EP/GF管材具有良好的综合力学性能，用作低温储罐支撑结构，减少了接触面积，降低了环境向内容器的漏热，故现有移动式容器运用管状EP/GF居多。

为对比分析EP/GF导热特性与纤维方向之间的关系，分别沿着纤维方向（层向）以及垂直于纤维方向（垂向）进行取样。

在EP/GF管中沿着径向及轴向截面进行取样，样品直径为40mm，壁厚δ=10mm，同一轴向自上而下依次标注层向试样为A，B，C，垂向试样为D，E，F。

设备采用的薄膜式探头由镍金属经刻蚀处理后的双螺旋结构构成，并将聚酰亚胺薄膜覆盖两侧，起到电绝缘及保护作用。

薄膜探头除了具有加热功能外，同时作为感温元件，用以记录探头的温度变化，测试时，探头被紧密夹持在两块待测样品之间，形成瞬态“三明治”热导率测定模型。

在传感器中通入恒定弱电流后形成阶梯式焦耳热引起试样温度变化，同时使传感器自身阻值也发生改变，采用惠斯登电桥将电阻信号转化为电压信号，精确测量探头阻值变化。

由于待测材料热输运性质不同，导致探头表面温度响应也不同，通过探头阻值变化记录温度响应，即可较为精确获得被测材料热物性参数。

EP/GF具有吸湿特性，测试前将试样置于袋中防止空气中水分子向试样进行扩散。

采用各向同性模型测定试样热导率，评价各向异性模型测定结果的适用性；采用各向异性模型测定分析纤维方向与热导率之间的关系。

对EP/GF上中下各6个层向以及垂向试样进行分组，两两结合形成“三明治”结构，即试样A至试样F的编号1，2为组1，编号3，4为组2，编号5，6为组3。

采用探头C5501进行测定，每次测量的加热功率为100mW，持续时间为80s，对每组试样进行3次再现性试验，时间间隔为1h，取其平均值。

采用砂纸打磨，通过控制打磨时间实现试样的不同表面粗糙度，模拟EP/GF在真空夹层中的磨损情况。

选取试样A1~A4作为磨损样品进行对照试验，其中未处理组为车床加工试样，磨损组为经过38μm砂纸打磨0.5h，后置于105℃干燥箱中恒温处理1h的试样。

●—≺ 各向同性模型下热导率测定 ≻—●

为避免热导率测定结果受比热容测定误差影响，采用TPS2200型热常数分析仪比热模块对EP/GF进行测定，将测定结果作为参数用于热导率的测量，防止热导率测定误差进一步增大。

测试过程中发现测定试样比热容易受外界温度变化影响，故通过延长静置时间，以确保温度漂移图离散。

平均比热容为1.808MJ/（m3·K），3组试样比热容**相对误差为2.52%，而同一组试样不同时刻测得结果的**相对误差为2.03%。

与热导率测定结果相比，比热容测定结果相对误差较大，且展现各向同性，这表明EP/GF比热容为材料本身物质属性，只与纤维种类以及组分比有关，与纤维方向无关。

但由于测试时间跨度大，且测试均在室温下进行，未能保证恒温恒湿，但其**相对误差小于5%，故可以忽略微小的温度和湿度变化对其比热容的影响。

测试过程中发现，随着测试次数的增多，其测定结果相对误差越来越小。

各向同性模型下测得EP/GF层向试样热导率大于垂向试样，且热导率不会随径向不同方向以及轴向不同位置取样发生变化，只随试样纤维方向发生变化。

拓展到单个EP/GF试样，其热导率可分解为径向热导率（λxy）以及轴向热导率（λz），符合TPS法各向异性模型测定要求。

EP/GF热导率主要由环氧树脂、玻璃纤维比例和种类决定的，然而随不同位置取样热导率不发生变化，故可知EP/GF每层结构体积分数相近。

两种测试方法均表明层向试样热导率大于垂向试样的热导率；瞬态热线法测试结果的**相对误差大于TPS法。

采用瞬态热线法测定结果低于TPS法，对于层向试样，瞬态热线法的热导率测定结果约为TPS法的84.7%，对于垂向试样，瞬态热线法为TPS法的73.2%。

瞬态热线法相对于TPS法的层向和垂向试样展现出较强的差异性。

由于各向同性模型下探头的热量向四周发散，玻璃纤维在导热过程中所起的作用大小不同，造成EP/GF沿纤维不同方向取样，热导率存在差异。

对于层向试样，热量沿着纤维方向（z向）传递，而在xy平面上，由于玻璃纤维热导率大于环氧树脂热导率造成热短路，故流经xy平面热流量较少。

对于垂向试样，热量沿着纤维方向（xy平面）传递，对于z向，环氧树脂位于两玻璃纤维布之间，阻碍了热量传递。

同时由于xy平面玻璃纤维布温差逐渐衰减，从而造成xy平面散失热量进一步减少。

对于层向试样，采用TPS法测试时较多的纤维参与热量传递，同时减少了接触热阻对测定结果的影响，从而造成TPS法测试结果大于瞬态热线法。

各向同性模型下测试结果表明：EP/GF属于各向异性材料，沿着玻璃纤维布方向的试样热导率大于垂直于玻璃纤维布方向试样的热导率。

沿着玻璃纤维布方向，玻璃纤维布构成了连续的导热网络，而垂直于玻璃纤维布方向，环氧树脂间隔于两玻璃纤维布之间，阻碍了玻璃纤维布的接触，从而阻断了导热网络的形成。

●—≺ 不同温度下热导率分析 ≻—●

**关于EP/GF热导率研究大多是基于稳态法，稳态法主要是向试样中通入恒定的热流，在样品内部形成稳定的温度场，再结合傅里叶定律，即可获得被测材料的热导率。

若使EP/GF获得**的力学性能，一般玻璃纤维体积分数维持在75%左右，故具有相同玻璃纤维体积分数的EP/GF应具有相同的温度-热导率关系。

故通过拟合EP/GF温度变化关联式，计算本研究中EP/GF试样在液氢温区的热导率，通过室温下测得层向以及垂向试样λz，可以确定设置的系数m=0.3077，n=0.1218。

同时由导热通路理论可知，层向试样热导率受纤维增强材料影响较大，故板材可选用力学性能更优的纤维增强材料增加其承载能力。

较管材，板材热导率并不会有较大幅度地提升，若既承受剪切载荷又承受压缩载荷，则需要综合力学性能良好的EP/GF管材。

由测定结果可知，磨损前的整体热导率（λ），λxy和λz分别为0.5088，0.5153，0.4993W/（m·K），相应的磨损后为0.5137，0.4812，0.5313W/（m·K）。

与磨损前相比，磨损后λ及λz增大了0.97%，6.40%，λxy减小了6.62%。

由于EP/GF为非金属，其导热主要方式为晶格震动，声子在传递过程中由于非晶相的缺陷发生散射产生接触热阻。

界面接触热阻与界面接触的微凸体个数有关，界面接触微凸体个数越多，界面热阻越小。

EP/GF经过38μm砂纸打磨，表面粗糙度减小，在相同载荷下，接触表面的表面粗糙度越小，接触表面越平整，表面发生接触的微凸体数目越多，接触热阻越小，故热导率增大。

增大界面接触微凸体个数的方式主要有两种，一是增大载荷，使接触界面产生变形，二是减小表面粗糙度。

故要求通过TPS法测试试样热导率时，要求试样表面平整，同时施加压力使探头与试样紧密结合，一方面减少接触热阻对测定结果的影响，另一方面避免粗糙表面在受到较大载荷时对探头造成损伤。

EP/GF中除了环氧树脂基体和玻璃纤维外，环氧树脂与玻璃纤维的接触界面同样会影响热导率。

磨损前环氧树脂基体和玻璃纤维结合紧密，界面完整性强，磨损后，玻璃纤维和环氧树脂基体之间结合界面开始变得疏松，纤维裸露。

由此可知，由于接触界面在摩擦过程中产生摩擦热，摩擦热的聚集造成界面温度升高，从而导致EP/GF表面环氧树脂部分软化分解，使得纤维裸露。

经过磨损后破坏了玻璃纤维与环氧树脂结合界面的完整性，使玻璃纤维与环氧树脂之间形成的导热区域离散，这些阻碍了声子传递，从而导致λxy减小。

此外，由于EP/GF经过砂纸打磨，表面粗糙度减小，增大了两接触表面，从而导致玻璃纤维接触增多，λz增大。

●—≺ 结论 ≻—●

分析测试过程中EP/GF纱线的导热形式；采用砂纸打磨模拟EP/GF作支撑结构时的磨损，探究导热性能变化规律，得到主要结论如下：

各向异性模型下，由于两试样接触之间存在间隙，使得沿着xy平面热导率大于z方向热导率，造成垂向试样λxy＞层向试样λz＞层向试样λxy＞垂向试样λz，为保证试验的严谨性，主要关注z方向热导率。

利用砂纸打磨后，EP/GF中玻璃纤维裸露，其表面粗糙度减小，玻璃纤维与环氧树脂的结合程度变差，界面的整体性遭到破坏。

这些因素阻碍沿着xy平面的声子传递，增大了z方向微凸体的接触面积，使得EP/GF作支撑结构热导率增大。

●—≺ 参考文献 ≻—●

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