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碳纖維的LFA導熱測試 —對制樣方法的改進與測試驗證
來源: 時間:2024-01-30 13:56:21 瀏覽:5016次

簡介

碳纖維(carbon fiber,簡稱CF),是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成,經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內剛”,質量比金屬鋁輕,但強度卻高于鋼鐵,并且具有耐腐蝕、高模量的特性,在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼備紡織纖維的柔軟可加工性,是新一代增強纖維。

碳纖維具有許多優良性能,碳纖維的軸向強度和模量高,密度低、比性能高,無蠕變,非氧化環境下耐超高溫,耐疲勞性好,比熱及導電性介于非金屬和金屬之間,熱膨脹系數小且具有各向異性,耐腐蝕性好,X射線透過性好。良好的導電導熱性能、電磁屏蔽性好等。

碳纖維材料的導熱性能是衡量材料優劣的比較關鍵的參數。使用Netzsch激光導熱儀LFA特制的纖維樣品支架,可以很好地對其熱擴散系數進行表征,并最終計算導熱系數:


但對于這類測試,其制樣一直以來是個難題。究其原因,在于纖維樣品大多細、軟而韌性好,很難將其制成測試所需狀態。

纖維的制樣有兩個關鍵步驟:

1. 纖維扎束:將合適數量的纖維樣品扎成一束,其直徑匹配樣品支架規格(標準的為φ12.7mm樣品直徑)

2. 纖維切割:將這束纖維切割或修剪至合適的長度(即測試方向的厚度,一般控制在10mm以下)。

由于樣品軟且細,使用儀器自帶的制樣工具與Al2O3陶瓷環(用于扎束樣品)進行制樣十分困難,樣品制到最后往往容易分散,兩端不齊:

此文中,我們使用了聚酰亞胺膠帶作為陶瓷環的替代品,并改進了纖維束的切割與打磨方法,以此大大降低了制樣難度,提高了制樣效率,收到了良好的效果。

1. 纖維扎束:使用聚酰亞胺膠帶替代陶瓷環

由于陶瓷環為剛性材料,缺乏韌性與束緊力,很難將樣品緊緊的束在一起,導致樣品量很難控制,多了扎不進,少了會散開。而聚酰亞胺帶具有較強的韌性,可以根據樣品量來做成纖維束。不過在耐高溫方面,陶瓷環有著不可替代的優勢,所以本文中提到的測試一般限于350℃以下(對于350℃以上的測試,也可嘗試先用聚酰亞胺帶配合扎緊一定量的纖維樣品之后,再用陶瓷環箍住。聚酰亞胺帶在高溫下分解后,生成的是碳膜,且位于LFA檢測范圍之外,對測試無影響)。

聚酰亞胺帶與碳纖維樣品見下圖:

2. 纖維切割:使用剃發刀替代切割工具

制成成束的樣品,就會遇到第二個難題:切割。由于碳纖維材料普遍都是較有韌性而且散碎,所以怎樣將兩端切割光滑就非常困難,而兩端光滑平行又是導熱測試中基本的要求。在以前,我們常規的做法是剪刀修剪后用砂紙打磨:

或打磨機打磨,如下圖:

這些方法相對而言耗時較長,較為費力。本文使用另外一種辦法,使用剃須刀或剃發刀,將纖維束兩端修割平整,如下圖:

碳纖維類似于毛發,所以使用剃發刀,可以很輕易地將樣品兩端修平,然后再使用砂紙稍作打磨,即可達到測試需求。為了驗證重復性,我們特意將一種纖維重復制樣,下圖為兩個制成的樣品:

從圖中可看出,此類方法制成的樣品,厚度可控,兩端界面光滑平行,為較為理想的樣品狀態。

3.測試驗證

上圖為重復制樣三次的測試結果。結果可看出,該種制樣方法制成的樣品重復性高,基本可消除人為制樣因素的影響。

在保證測試重復性的基礎上,該制樣與測試方法也能有效區分不同導熱特性的樣品。如下圖所示,TC-5樣品的熱擴散系數明顯低于TC-6樣品:

將樣品的密度(若計算單絲導熱系數,使用碳纖維的真密度;若計算所制纖維束樣品的導熱系數,使用該束纖維由重量與體積計算得到的表觀密度)和比熱數值代入,即可測得纖維樣品的導熱系數,如下表所示:

結論

綜上,對于碳纖維樣品的LFA導熱測試(低于350℃),其制樣步驟可分為三步:

1. 使用聚酰亞胺膠帶,將纖維束成合適直徑的一束;

2. 使用剃頭刀,將樣品的兩個端面修剪至光滑平行;

3. 最后使用砂紙稍作局部的精細打磨。

該種方法制成的纖維束厚度可控,兩端光滑,結果重現性好,在中低溫下不失為原制樣方案及Al2O3陶瓷環完美的替代品。


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全部 3小時前 四川
文字是人類用符號記錄表達信息以傳之久遠的方式和工具。現代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產生書面文字,很多小語種,有語言但沒有文字。文字的不同體現了國家和民族的書面表達的方式和思維不同。文字使人類進入有歷史記錄的文明社會。
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