第二節(jié)熱功能復(fù)合材料一、復(fù)合材料的熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率的影響因素：復(fù)合材料的熱導(dǎo)率由基體和所加的填料共同決定。1、填料含量的影響AlN/聚乙烯熱導(dǎo)率與體積百分含量的關(guān)系.第二節(jié)熱功能復(fù)合材料一、復(fù)合材料的熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率的影響因素：12、填料結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響長徑比不同結(jié)晶度不同界面結(jié)合對于粉體填充的復(fù)合材料，其顆粒的粒徑比對熱導(dǎo)率也有影響Cu/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料熱導(dǎo)率與銅粉粒徑的關(guān)系.2、填料結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響長徑比不同結(jié)晶度不同界面結(jié)合對于粉體填23、熱導(dǎo)率的計算模型：Maxwell-Eucken方程適用于填料含量較低的顆粒增強復(fù)合材料體系。假設(shè)顆粒增強復(fù)合材料的第二相為球形，且均勻分布在基體中。k2為顆粒的熱導(dǎo)率，k1為基體的熱導(dǎo)率，V為顆粒的體積百分數(shù)如果k2遠大于k1：顆粒增強復(fù)合材料的熱導(dǎo)率僅由基體的熱導(dǎo)率和顆粒的體積分數(shù)決定，而與顆粒的熱導(dǎo)率無關(guān)。.3、熱導(dǎo)率的計算模型：Maxwell-Eucken方程適用于3當填料含量較高時：G(f)為填料在材料內(nèi)部的分布函數(shù)，與填料結(jié)構(gòu)、含量、幾何形狀及填充密度等因素相關(guān)。串聯(lián)模型：G(f)=0，即兩相在熱導(dǎo)率方向上相互隔離，完全不連通。并聯(lián)模型：G(f)=1，即兩相在熱導(dǎo)率方向上完全連通。.當填料含量較高時：G(f)為填料在材料內(nèi)部的分布函數(shù)，與填料4復(fù)合材料的實際熱導(dǎo)率一般介于兩者之間：網(wǎng)絡(luò)模型：也可以表示為：c是網(wǎng)絡(luò)系數(shù)，取決于基體材料中氣孔的形狀和分布等因素。若k2遠大于k1，則k≈cVk2。.復(fù)合材料的實際熱導(dǎo)率一般介于兩者之間：網(wǎng)絡(luò)模型：也可以表示為5碳/碳復(fù)合材料的導(dǎo)熱特性：碳材料主要依靠晶格振動導(dǎo)熱，熱導(dǎo)率：熱導(dǎo)率k的大小正比于L，在常溫和低于常溫下，L大體上與微晶尺寸成正比，所以石墨化程度越高，微晶越大，k也越大。同時位錯、交聯(lián)鍵等缺陷消除，有利于紊亂層平面的排列，使其晶體結(jié)構(gòu)更為完整，從而導(dǎo)致熱導(dǎo)率提高。低模量碳/碳復(fù)合材料被認定是迅速散逸熱量的最佳材料。2200-3000℃的熱處理導(dǎo)致碳基體的石墨化從而導(dǎo)致高熱導(dǎo)率樹脂碳、碳纖維、熱解碳主要集中于高導(dǎo)熱的中間相瀝青基碳纖維。.碳/碳復(fù)合材料的導(dǎo)熱特性：碳材料主要依靠晶格振動導(dǎo)熱，熱導(dǎo)率6熱適應(yīng)復(fù)合材料通過對復(fù)合材料進行組分與其含量的選擇和排列取向的設(shè)計，而使之具有適合要求的熱導(dǎo)率或熱膨脹系數(shù)的一種復(fù)合材料。二、可控膨脹系數(shù)復(fù)合材料1、線性膨脹系數(shù)室溫下，一些固體材料的線性膨脹系數(shù)兩個鄰近原子間勢能隨原子間距的變化膨脹系數(shù)和摩爾熱容成正比.熱適應(yīng)復(fù)合材料通過對復(fù)合材料進行組分與其含量的選擇和排72、可控膨脹系數(shù)復(fù)合材料利用Cu、Al等金屬（合金）的高導(dǎo)熱性和Al2O3、SiC、AlN、FeNi等材料的低膨脹性，采用各種復(fù)合工藝，來制造既有高導(dǎo)熱性，又有低膨脹性的復(fù)合材料。（1）碳纖維/銅復(fù)合材料長纖維單向（縱向）<渦卷狀長纖維<長纖維雙向正交<無序短纖維<長纖維單向（橫向）。C/Cu復(fù)合材料線膨脹系數(shù)-溫度曲線C/Cu(Sn)與C/Cu一樣，物理結(jié)合；C/Cu(Ni)擴散結(jié)合；C/Cu(Fe)化學(xué)結(jié)合。.2、可控膨脹系數(shù)復(fù)合材料利用Cu、Al等金屬（合金）的高導(dǎo)熱8（二）Cu/FeNi復(fù)合材料熱膨脹特性Cu的膨脹系數(shù)遠大于FeNi在Cu含量相同時，膨脹系數(shù)則由FeNi合金的本身特點、FeNi顆粒與Cu顆粒在復(fù)合材料中的分布狀態(tài)以及FeNi與Cu的相互作用決定的。FeNi粒度對材料膨脹系數(shù)的影響.（二）Cu/FeNi復(fù)合材料熱膨脹特性Cu的膨脹系數(shù)遠大于F9Cu/FeNi在100℃和300℃時的膨脹系數(shù).Cu/FeNi在100℃和300℃時的膨脹系數(shù).10二、燒蝕防熱復(fù)合材料（耐燒蝕復(fù)合材料或防熱復(fù)合材料）升華型：利用材料在高溫下升華氣化帶走熱量，一般升華前還有強烈的輻射散熱作用。防熱機制的不同：碳化型：主要利用樹脂在高溫下的炭化吸收熱量，進而所形成的炭化層還具有很好的輻射散熱和阻塞熱流作用。熔化型主要利用材料在高溫下熔化吸收熱量，并進一步利用形成的熔融液態(tài)層來阻塞熱流防熱材料的要求:有效燒蝕熱特性：比熱容大，熱導(dǎo)率小，密度小，燒蝕速率低.二、燒蝕防熱復(fù)合材料（耐燒蝕復(fù)合材料或防熱復(fù)合材料）升華型：11三、樹脂基防熱復(fù)合材料樹脂基防熱復(fù)合材料主要是利用高相變熱、低熱導(dǎo)率的有機和無機組分，在吸收氣動加入的大量熱流后發(fā)生相變，并隨著相變物質(zhì)的質(zhì)量流失把熱量帶走，從而起到保護內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用。樹脂基復(fù)合材料的燒蝕防熱過程：內(nèi)部樹脂基體分解產(chǎn)生的揮發(fā)物滲透到焦炭中，揮發(fā)物被加熱到極高溫度進而分解出更低分子量的裂解物，這種裂解物的耗散帶走大部分熱量從而阻礙熱量向材料內(nèi)部的傳入。玻璃纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料的穩(wěn)態(tài)燒蝕示意圖散熱體的作用隨著熱勢加劇，樹脂基體外層變成黏性體，而后開始降解，產(chǎn)生泡沫狀炭物質(zhì)，最終形成多孔焦炭.三、樹脂基防熱復(fù)合材料樹脂基防熱復(fù)合材料主要是利用高相變熱、12碳/碳防熱復(fù)合材料一種完全為碳的復(fù)合材料，碳纖維增強體鑲嵌在碳基體中，基體材料是氣相沉積炭或液態(tài)浸漬熱解炭升華-輻射型燒蝕材料：具有高的比熱容和汽化能，熔化時要求有很高的壓力和溫度，具有比任何材料都高的燒蝕熱炭材料在燒蝕條件下向外輻射大量的熱量，具有較高的輻射系數(shù)，可進一步提高其抗燒蝕性。.碳/碳防熱復(fù)合材料一種完全為碳的復(fù)合材料，碳纖維增強體鑲嵌在13碳/碳復(fù)合材料的制備工藝預(yù)成型體：將碳纖維平面編織物預(yù)先浸漬高碳化率的瀝青等，然后搭層，固化獲得預(yù)成型體；或者是三維正交編織。三維正交編織碳/碳復(fù)合材料預(yù)成型體基體碳：化學(xué)氣相沉積（CVD）液態(tài)浸漬碳化率高的高分子物質(zhì)的炭化.碳/碳復(fù)合材料的制備工藝預(yù)成型體：三維正交編織碳/碳復(fù)合材料14CVD工藝.CVD工藝.15抗氧化措施高于370℃就會開始發(fā)生氧化。在碳/碳復(fù)合材料表面進行耐高溫材料的涂層，起到阻隔氧侵入的作用在制備碳/碳復(fù)合材料中在基體中預(yù)先包含有氧化抑制劑。碳/碳復(fù)合材料防氧化涂層要求.抗氧化措施高于370℃就會開始發(fā)生氧化。在碳/碳復(fù)合材料表面16碳/碳復(fù)合材料的界面碳纖維-CVD碳-瀝青碳界面結(jié)構(gòu)示意圖.碳/碳復(fù)合材料的界面碳纖維-CVD碳-瀝青碳界面結(jié)構(gòu)示意圖.17碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用.碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用.18一、熱適應(yīng)復(fù)合材料通過對復(fù)合材料進行組分與其含量的選擇和排列取向的設(shè)計，而使之具有適合要求的熱導(dǎo)率或熱膨脹系數(shù)的一種復(fù)合材料。傳統(tǒng)的樹脂基復(fù)合材料熱導(dǎo)率低，不能適應(yīng)高集成度和高功率所產(chǎn)生的高熱量。提高復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的主要措施是在復(fù)合材料基體中加入導(dǎo)熱性好的填料，如金屬、陶瓷、石墨或高石墨化碳纖維。熱導(dǎo)率可由0.2升高到20W/(m·K).一、熱適應(yīng)復(fù)合材料通過對復(fù)合材料進行組分與其含量的選擇和排列19填料含量的影響AlN/聚乙烯復(fù)合材料當填料含量繼續(xù)增加，超過一定量后，熱導(dǎo)率的增長速率變緩AlN/PE熱導(dǎo)率與體積百分含量的關(guān)系在填料含量較低時，其熱導(dǎo)率基本上保持不變每個填料單體都被低熱導(dǎo)率的基體材料完全的包裹起來，使得填料的高熱導(dǎo)性能得不到充分展示，對復(fù)合材料熱導(dǎo)率的貢獻很小。熱導(dǎo)率由連續(xù)的基體材料起主導(dǎo)作用。當填料含量達到一定程度后，熱導(dǎo)率開始顯著上升填料的團簇體開始在整個復(fù)合材料中形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，隨著填料含量的進一步增大，這一熱流通路得到加強，此時復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將由高熱導(dǎo)率的填料起主導(dǎo)作用。.填料含量的影響AlN/聚乙烯復(fù)合材料當填料含量繼續(xù)增加，超過20填料結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響加入不同結(jié)構(gòu)形態(tài)填料的復(fù)合材料，在相同的填料含量情況下其熱導(dǎo)率不同。熱導(dǎo)率最低的是粉體增強的復(fù)合材料，熱導(dǎo)率較高的是纖維增強的復(fù)合擦料，最大的是晶須增強的復(fù)合材料。長徑比不同填料的長徑比越大越容易發(fā)生交聯(lián)，并形成連續(xù)的熱流通路，有利于提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。結(jié)晶度不同AlN粉體和AlN纖維是由多晶組成的，存在較多的晶界和缺陷是聲子的主要散射源，熱導(dǎo)率低于理論值；而晶須的結(jié)晶形態(tài)最好，近于單晶。界面結(jié)合晶須具有完善的結(jié)晶形態(tài)，浸潤特性良好，與基體的結(jié)合狀況最好，界面結(jié)合較為穩(wěn)定。在相同填料含量的情況下，與粉體和纖維相比，晶須具有較小的比表面，相結(jié)合的界面較少。對于粉體填充的復(fù)合材料，其顆粒的粒徑比對熱導(dǎo)率也有影響。較細的粉末表面積大，粉末間相互接觸概率增大，容易形成導(dǎo)熱鏈；較粗的粉末其表面均一性不好，在粉末相互接觸形成導(dǎo)熱鏈時，接觸的粉末間空隙大，易被殘留空氣吸附或被低熱導(dǎo)率的基體填入，使材料的熱導(dǎo)率不高。粉末過細使接觸點過多，增加了對熱的散射，從而降低了材料的熱導(dǎo)率。Cu/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料熱導(dǎo)率與銅粉粒徑的關(guān)系.填料結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響加入不同結(jié)構(gòu)形態(tài)填料的復(fù)合材料，在相同的填21可控膨脹系數(shù)復(fù)合材料利用Cu、Al等金屬（合金）的高導(dǎo)熱性和Al2O3、SiC、AlN、FeNi等材料的低膨脹性，采用各種復(fù)合工藝，來制造既有高導(dǎo)熱性，又有低膨脹性的復(fù)合材料。碳纖維/銅復(fù)合材料通過選擇碳纖維含量、種類和取向，以及相應(yīng)的制造工藝來調(diào)節(jié)碳纖維/銅復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)，使之和硅或氧化鋁等相接觸的線膨脹系數(shù)相近，并且在加熱和冷卻條件下使他們具有相同的熱膨脹率。碳纖維/銅復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)隨著碳增強體體積分數(shù)的增加而單調(diào)下降，且隨碳纖維的不同分布方式變化，大小順序為：長纖維單向（縱向）<渦卷狀長纖維<長纖維雙向正交<無序短纖維<長纖維單向（橫向）。.可控膨脹系數(shù)復(fù)合材料利用Cu、Al等金屬（合金）的高導(dǎo)熱性和22線膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線：

在水平階段，線膨脹系數(shù)為定值隨溫度升高，熱應(yīng)力增加，當該應(yīng)力值超過基體的屈服極限，但仍低于界面結(jié)合強度時，將使基體產(chǎn)生塑性變形，于是整個材料的線膨脹系數(shù)就取決于纖維的熱膨脹系數(shù)，表現(xiàn)為復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)迅速減少。約在670℃，C/Cu復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)達到最低值，以后進入上升階段?；w逐漸掙脫纖維束縛的過程，溫度越高，纖維對基體的束縛越小，線膨脹系數(shù)越大，最終接近基體的線膨脹系數(shù)。纖維含量增加，會改變線膨脹系數(shù)隨溫度的變化加入合金元素可以改變界面結(jié)合強度，界面結(jié)合強度提高，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)降低：C/Cu(Sn)與C/Cu一樣，物理結(jié)合；C/Cu(Ni)擴散結(jié)合；C/Cu(Fe)化學(xué)結(jié)合。C/Cu復(fù)合材料線膨脹系數(shù)-溫度曲線.線膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線：在水平階段，線膨脹系數(shù)為定值隨溫23Cu/FeNi復(fù)合材料熱膨脹特性Cu的膨脹系數(shù)遠大于FeNi，因此Cu/FeNi膨脹系數(shù)隨Cu含量的增加而較快增加在Cu含量相同時，膨脹系數(shù)則由FeNi合金的本身特點、FeNi顆粒與Cu顆粒在復(fù)合材料中的分布狀態(tài)以及FeNi與Cu的相互作用決定的。在Cu含量不是很大的情況下，每增加1%Cu，室溫膨脹系數(shù)約增加0.3×10-6/K.由于FeNi與Cu相互擴散，F(xiàn)eNi顆粒越小，Cu擴散進入FeNi顆粒所需擴散的距離越小，F(xiàn)eNi顆粒中的Cu含量越多，F(xiàn)eNi(Cu)的膨脹系數(shù)越大。FeNi顆粒越小，比表面積越大，越易接觸而形成FeNi網(wǎng)絡(luò)，此時Cu被FeNi包圍，其膨脹受到限制，而使整個材料的膨脹系數(shù)變小。FeNi粒度對材料膨脹系數(shù)的影響.Cu/FeNi復(fù)合材料熱膨脹特性Cu的膨脹系數(shù)遠大于FeNi24隨溫度的升高，擴散增強，會使FeNi內(nèi)部的Cu含量增加，同時FeNi的膨脹系數(shù)增大，因此Cu/FeNi復(fù)合材料的總的膨脹系數(shù)隨溫度上升而變大。隨著Cu含量增加，F(xiàn)eNi中達到一定Cu含量所需溫度越低，而較多含量的Cu會使FeNi膨脹系數(shù)增加的速度變小，因此隨Cu的含量升高，材料總的膨脹系數(shù)隨溫度的變化變緩。隨著溫度升高，Cu/FeNi復(fù)合材料膨脹系數(shù)受FeNi的影響變大，即更接近FeNi的膨脹系數(shù)，所以材料低溫膨脹系數(shù)實驗值比高溫膨脹系數(shù)實驗值更接近加和規(guī)律。Cu/FeNi在100℃和300℃時的膨脹系數(shù).隨溫度的升高，擴散增強，會使FeNi內(nèi)部的Cu含量增加，同時25二、燒蝕防熱復(fù)合材料（耐燒蝕復(fù)合材料或防熱復(fù)合材料）在熱流作用下能發(fā)生分解、熔化、蒸發(fā)、升華、輻射等多種物理和化學(xué)變化，借助材料的質(zhì)量消耗帶走大量熱量，以達到阻止熱流傳入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的目的，用以防護工程結(jié)構(gòu)在特殊氣動熱環(huán)境中免遭燒毀破壞，并保持必需的氣動外形，是航天飛行器、導(dǎo)彈等必不可少的關(guān)鍵材料。防熱復(fù)合材料的分類與基本特性升華型：利用材料在高溫下升華氣化帶走熱量，一般升華前還有強烈的輻射散熱作用。防熱機制的不同：碳化型：主要利用樹脂在高溫下的炭化吸收熱量，進而所形成的炭化層還具有很好的輻射散熱和阻塞熱流作用。熔化型主要利用材料在高溫下熔化吸收熱量，并進一步利用形成的熔融液態(tài)層來阻塞熱流.二、燒蝕防熱復(fù)合材料（耐燒蝕復(fù)合材料或防熱復(fù)合材料）在熱流作26材料的燒蝕防熱是借助消耗質(zhì)量帶走熱量以達到熱防護的目的，希望材料能以最小的質(zhì)量消耗來抵擋最多的氣動熱量，因此衡量耐燒蝕材料性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)是有效燒蝕熱，即單位質(zhì)量的燒蝕材料完全燒掉所帶走的熱量。防熱材料的要求特性：比熱容大，以便在燒蝕過程中可以吸收大量的熱量熱導(dǎo)率小，具有一定的隔熱作用，這樣能使形成高熱的部分僅局限在表面，熱難以傳導(dǎo)到內(nèi)部結(jié)構(gòu)密度小，從而最大限度地減少制造材料的總重量，以適應(yīng)航天領(lǐng)域的設(shè)計要求燒蝕速率低，質(zhì)量燒蝕率低。.材料的燒蝕防熱是借助消耗質(zhì)量帶走熱量以達到熱防護的目的，希望27樹脂基防熱復(fù)合材料樹脂基防熱復(fù)合材料主要是利用高相變熱、低熱導(dǎo)率的有機和無機組分，在吸收氣動加入的大量熱流后發(fā)生相變，并隨著相變物質(zhì)的質(zhì)量流失把熱量帶走，從而起到保護內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用。樹脂基復(fù)合材料的燒蝕防熱過程：內(nèi)部樹脂基體分解產(chǎn)生的揮發(fā)物滲透到焦炭中，揮發(fā)物被加熱到極高溫度進而分解出更低分子量的裂解物，這種裂解物的耗散帶走大部分熱量從而阻礙熱量向材料內(nèi)部的傳入。玻璃纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料的穩(wěn)態(tài)燒蝕示意圖散熱體的作用隨著熱勢加劇，樹脂基體外層變成黏性體，而后開始降解，產(chǎn)生泡沫狀炭物質(zhì)，最終形成多孔焦炭.樹脂基防熱復(fù)合材料樹脂基防熱復(fù)合材料主要是利用高相變熱、低熱28碳/碳防熱復(fù)合材料一種完全為碳的復(fù)合材料，碳纖維增強體鑲嵌在碳基體中，基體材料是氣相沉積炭或液態(tài)浸漬熱解炭升華-輻射型燒蝕材料：具有高的比熱容和汽化能，熔化時要求有很高的壓力和溫度，具有比任何材料都高的燒蝕熱炭材料在燒蝕條件下向外輻射大量的熱量，具有較高的輻射系數(shù)，可進一步提高其抗燒蝕性。.碳/碳防熱復(fù)合材料一種完全為碳的復(fù)合材料，碳纖維增強體鑲嵌在29碳/碳復(fù)合材料的制備工藝預(yù)成型體：將碳纖維平面編織物預(yù)先浸漬高碳化率的瀝青等，然后搭層，固化獲得預(yù)成型體；或者是三維正交編織。三維正交編織碳/碳復(fù)合材料預(yù)成型體基體碳：化學(xué)氣相沉積（CVD）液態(tài)浸漬碳化率高的高分子物質(zhì)的炭化.碳/碳復(fù)合材料的制備工藝預(yù)成型體：三維正交編織碳/碳復(fù)合材料30CVD工藝.CVD工藝.31抗氧化措施高于370℃就會開始發(fā)生氧化。在碳/碳復(fù)合材料表面進行耐高溫材料的圖層，起到阻隔氧侵入的作用在制備碳/碳復(fù)合材料中在基體中預(yù)先包含有氧化抑制劑。碳/碳復(fù)合材料防氧化涂層要求.抗氧化措施高于370℃就會開始發(fā)生氧化。在碳/碳復(fù)合材料表面32碳/碳復(fù)合材料的界面碳纖維-CVD碳-瀝青碳界面結(jié)構(gòu)示意圖.碳/碳復(fù)合材料的界面碳纖維-CVD碳-瀝青碳界面結(jié)構(gòu)示意圖.33碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用.碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用.34第二節(jié)熱功能復(fù)合材料一、復(fù)合材料的熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率的影響因素：復(fù)合材料的熱導(dǎo)率由基體和所加的填料共同決定。1、填料含量的影響AlN/聚乙烯熱導(dǎo)率與體積百分含量的關(guān)系.第二節(jié)熱功能復(fù)合材料一、復(fù)合材料的熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率的影響因素：352、填料結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響長徑比不同結(jié)晶度不同界面結(jié)合對于粉體填充的復(fù)合材料，其顆粒的粒徑比對熱導(dǎo)率也有影響Cu/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料熱導(dǎo)率與銅粉粒徑的關(guān)系.2、填料結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響長徑比不同結(jié)晶度不同界面結(jié)合對于粉體填363、熱導(dǎo)率的計算模型：Maxwell-Eucken方程適用于填料含量較低的顆粒增強復(fù)合材料體系。假設(shè)顆粒增強復(fù)合材料的第二相為球形，且均勻分布在基體中。k2為顆粒的熱導(dǎo)率，k1為基體的熱導(dǎo)率，V為顆粒的體積百分數(shù)如果k2遠大于k1：顆粒增強復(fù)合材料的熱導(dǎo)率僅由基體的熱導(dǎo)率和顆粒的體積分數(shù)決定，而與顆粒的熱導(dǎo)率無關(guān)。.3、熱導(dǎo)率的計算模型：Maxwell-Eucken方程適用于37當填料含量較高時：G(f)為填料在材料內(nèi)部的分布函數(shù)，與填料結(jié)構(gòu)、含量、幾何形狀及填充密度等因素相關(guān)。串聯(lián)模型：G(f)=0，即兩相在熱導(dǎo)率方向上相互隔離，完全不連通。并聯(lián)模型：G(f)=1，即兩相在熱導(dǎo)率方向上完全連通。.當填料含量較高時：G(f)為填料在材料內(nèi)部的分布函數(shù)，與填料38復(fù)合材料的實際熱導(dǎo)率一般介于兩者之間：網(wǎng)絡(luò)模型：也可以表示為：c是網(wǎng)絡(luò)系數(shù)，取決于基體材料中氣孔的形狀和分布等因素。若k2遠大于k1，則k≈cVk2。.復(fù)合材料的實際熱導(dǎo)率一般介于兩者之間：網(wǎng)絡(luò)模型：也可以表示為39碳/碳復(fù)合材料的導(dǎo)熱特性：碳材料主要依靠晶格振動導(dǎo)熱，熱導(dǎo)率：熱導(dǎo)率k的大小正比于L，在常溫和低于常溫下，L大體上與微晶尺寸成正比，所以石墨化程度越高，微晶越大，k也越大。同時位錯、交聯(lián)鍵等缺陷消除，有利于紊亂層平面的排列，使其晶體結(jié)構(gòu)更為完整，從而導(dǎo)致熱導(dǎo)率提高。低模量碳/碳復(fù)合材料被認定是迅速散逸熱量的最佳材料。2200-3000℃的熱處理導(dǎo)致碳基體的石墨化從而導(dǎo)致高熱導(dǎo)率樹脂碳、碳纖維、熱解碳主要集中于高導(dǎo)熱的中間相瀝青基碳纖維。.碳/碳復(fù)合材料的導(dǎo)熱特性：碳材料主要依靠晶格振動導(dǎo)熱，熱導(dǎo)率40熱適應(yīng)復(fù)合材料通過對復(fù)合材料進行組分與其含量的選擇和排列取向的設(shè)計，而使之具有適合要求的熱導(dǎo)率或熱膨脹系數(shù)的一種復(fù)合材料。二、可控膨脹系數(shù)復(fù)合材料1、線性膨脹系數(shù)室溫下，一些固體材料的線性膨脹系數(shù)兩個鄰近原子間勢能隨原子間距的變化膨脹系數(shù)和摩爾熱容成正比.熱適應(yīng)復(fù)合材料通過對復(fù)合材料進行組分與其含量的選擇和排412、可控膨脹系數(shù)復(fù)合材料利用Cu、Al等金屬（合金）的高導(dǎo)熱性和Al2O3、SiC、AlN、FeNi等材料的低膨脹性，采用各種復(fù)合工藝，來制造既有高導(dǎo)熱性，又有低膨脹性的復(fù)合材料。（1）碳纖維/銅復(fù)合材料長纖維單向（縱向）<渦卷狀長纖維<長纖維雙向正交<無序短纖維<長纖維單向（橫向）。C/Cu復(fù)合材料線膨脹系數(shù)-溫度曲線C/Cu(Sn)與C/Cu一樣，物理結(jié)合；C/Cu(Ni)擴散結(jié)合；C/Cu(Fe)化學(xué)結(jié)合。.2、可控膨脹系數(shù)復(fù)合材料利用Cu、Al等金屬（合金）的高導(dǎo)熱42（二）Cu/FeNi復(fù)合材料熱膨脹特性Cu的膨脹系數(shù)遠大于FeNi在Cu含量相同時，膨脹系數(shù)則由FeNi合金的本身特點、FeNi顆粒與Cu顆粒在復(fù)合材料中的分布狀態(tài)以及FeNi與Cu的相互作用決定的。FeNi粒度對材料膨脹系數(shù)的影響.（二）Cu/FeNi復(fù)合材料熱膨脹特性Cu的膨脹系數(shù)遠大于F43Cu/FeNi在100℃和300℃時的膨脹系數(shù).Cu/FeNi在100℃和300℃時的膨脹系數(shù).44二、燒蝕防熱復(fù)合材料（耐燒蝕復(fù)合材料或防熱復(fù)合材料）升華型：利用材料在高溫下升華氣化帶走熱量，一般升華前還有強烈的輻射散熱作用。防熱機制的不同：碳化型：主要利用樹脂在高溫下的炭化吸收熱量，進而所形成的炭化層還具有很好的輻射散熱和阻塞熱流作用。熔化型主要利用材料在高溫下熔化吸收熱量，并進一步利用形成的熔融液態(tài)層來阻塞熱流防熱材料的要求:有效燒蝕熱特性：比熱容大，熱導(dǎo)率小，密度小，燒蝕速率低.二、燒蝕防熱復(fù)合材料（耐燒蝕復(fù)合材料或防熱復(fù)合材料）升華型：45三、樹脂基防熱復(fù)合材料樹脂基防熱復(fù)合材料主要是利用高相變熱、低熱導(dǎo)率的有機和無機組分，在吸收氣動加入的大量熱流后發(fā)生相變，并隨著相變物質(zhì)的質(zhì)量流失把熱量帶走，從而起到保護內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用。樹脂基復(fù)合材料的燒蝕防熱過程：內(nèi)部樹脂基體分解產(chǎn)生的揮發(fā)物滲透到焦炭中，揮發(fā)物被加熱到極高溫度進而分解出更低分子量的裂解物，這種裂解物的耗散帶走大部分熱量從而阻礙熱量向材料內(nèi)部的傳入。玻璃纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料的穩(wěn)態(tài)燒蝕示意圖散熱體的作用隨著熱勢加劇，樹脂基體外層變成黏性體，而后開始降解，產(chǎn)生泡沫狀炭物質(zhì)，最終形成多孔焦炭.三、樹脂基防熱復(fù)合材料樹脂基防熱復(fù)合材料主要是利用高相變熱、46碳/碳防熱復(fù)合材料一種完全為碳的復(fù)合材料，碳纖維增強體鑲嵌在碳基體中，基體材料是氣相沉積炭或液態(tài)浸漬熱解炭升華-輻射型燒蝕材料：具有高的比熱容和汽化能，熔化時要求有很高的壓力和溫度，具有比任何材料都高的燒蝕熱炭材料在燒蝕條件下向外輻射大量的熱量，具有較高的輻射系數(shù)，可進一步提高其抗燒蝕性。.碳/碳防熱復(fù)合材料一種完全為碳的復(fù)合材料，碳纖維增強體鑲嵌在47碳/碳復(fù)合材料的制備工藝預(yù)成型體：將碳纖維平面編織物預(yù)先浸漬高碳化率的瀝青等，然后搭層，固化獲得預(yù)成型體；或者是三維正交編織。三維正交編織碳/碳復(fù)合材料預(yù)成型體基體碳：化學(xué)氣相沉積（CVD）液態(tài)浸漬碳化率高的高分子物質(zhì)的炭化.碳/碳復(fù)合材料的制備工藝預(yù)成型體：三維正交編織碳/碳復(fù)合材料48CVD工藝.CVD工藝.49抗氧化措施高于370℃就會開始發(fā)生氧化。在碳/碳復(fù)合材料表面進行耐高溫材料的涂層，起到阻隔氧侵入的作用在制備碳/碳復(fù)合材料中在基體中預(yù)先包含有氧化抑制劑。碳/碳復(fù)合材料防氧化涂層要求.抗氧化措施高于370℃就會開始發(fā)生氧化。在碳/碳復(fù)合材料表面50碳/碳復(fù)合材料的界面碳纖維-CVD碳-瀝青碳界面結(jié)構(gòu)示意圖.碳/碳復(fù)合材料的界面碳纖維-CVD碳-瀝青碳界面結(jié)構(gòu)示意圖.51碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用.碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用.52一、熱適應(yīng)復(fù)合材料通過對復(fù)合材料進行組分與其含量的選擇和排列取向的設(shè)計，而使之具有適合要求的熱導(dǎo)率或熱膨脹系數(shù)的一種復(fù)合材料。傳統(tǒng)的樹脂基復(fù)合材料熱導(dǎo)率低，不能適應(yīng)高集成度和高功率所產(chǎn)生的高熱量。提高復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的主要措施是在復(fù)合材料基體中加入導(dǎo)熱性好的填料，如金屬、陶瓷、石墨或高石墨化碳纖維。熱導(dǎo)率可由0.2升高到20W/(m·K).一、熱適應(yīng)復(fù)合材料通過對復(fù)合材料進行組分與其含量的選擇和排列53填料含量的影響AlN/聚乙烯復(fù)合材料當填料含量繼續(xù)增加，超過一定量后，熱導(dǎo)率的增長速率變緩AlN/PE熱導(dǎo)率與體積百分含量的關(guān)系在填料含量較低時，其熱導(dǎo)率基本上保持不變每個填料單體都被低熱導(dǎo)率的基體材料完全的包裹起來，使得填料的高熱導(dǎo)性能得不到充分展示，對復(fù)合材料熱導(dǎo)率的貢獻很小。熱導(dǎo)率由連續(xù)的基體材料起主導(dǎo)作用。當填料含量達到一定程度后，熱導(dǎo)率開始顯著上升填料的團簇體開始在整個復(fù)合材料中形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，隨著填料含量的進一步增大，這一熱流通路得到加強，此時復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將由高熱導(dǎo)率的填料起主導(dǎo)作用。.填料含量的影響AlN/聚乙烯復(fù)合材料當填料含量繼續(xù)增加，超過54填料結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響加入不同結(jié)構(gòu)形態(tài)填料的復(fù)合材料，在相同的填料含量情況下其熱導(dǎo)率不同。熱導(dǎo)率最低的是粉體增強的復(fù)合材料，熱導(dǎo)率較高的是纖維增強的復(fù)合擦料，最大的是晶須增強的復(fù)合材料。長徑比不同填料的長徑比越大越容易發(fā)生交聯(lián)，并形成連續(xù)的熱流通路，有利于提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。結(jié)晶度不同AlN粉體和AlN纖維是由多晶組成的，存在較多的晶界和缺陷是聲子的主要散射源，熱導(dǎo)率低于理論值；而晶須的結(jié)晶形態(tài)最好，近于單晶。界面結(jié)合晶須具有完善的結(jié)晶形態(tài)，浸潤特性良好，與基體的結(jié)合狀況最好，界面結(jié)合較為穩(wěn)定。在相同填料含量的情況下，與粉體和纖維相比，晶須具有較小的比表面，相結(jié)合的界面較少。對于粉體填充的復(fù)合材料，其顆粒的粒徑比對熱導(dǎo)率也有影響。較細的粉末表面積大，粉末間相互接觸概率增大，容易形成導(dǎo)熱鏈；較粗的粉末其表面均一性不好，在粉末相互接觸形成導(dǎo)熱鏈時，接觸的粉末間空隙大，易被殘留空氣吸附或被低熱導(dǎo)率的基體填入，使材料的熱導(dǎo)率不高。粉末過細使接觸點過多，增加了對熱的散射，從而降低了材料的熱導(dǎo)率。Cu/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料熱導(dǎo)率與銅粉粒徑的關(guān)系.填料結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響加入不同結(jié)構(gòu)形態(tài)填料的復(fù)合材料，在相同的填55可控膨脹系數(shù)復(fù)合材料利用Cu、Al等金屬（合金）的高導(dǎo)熱性和Al2O3、SiC、AlN、FeNi等材料的低膨脹性，采用各種復(fù)合工藝，來制造既有高導(dǎo)熱性，又有低膨脹性的復(fù)合材料。碳纖維/銅復(fù)合材料通過選擇碳纖維含量、種類和取向，以及相應(yīng)的制造工藝來調(diào)節(jié)碳纖維/銅復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)，使之和硅或氧化鋁等相接觸的線膨脹系數(shù)相近，并且在加熱和冷卻條件下使他們具有相同的熱膨脹率。碳纖維/銅復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)隨著碳增強體體積分數(shù)的增加而單調(diào)下降，且隨碳纖維的不同分布方式變化，大小順序為：長纖維單向（縱向）<渦卷狀長纖維<長纖維雙向正交<無序短纖維<長纖維單向（橫向）。.可控膨脹系數(shù)復(fù)合材料利用Cu、Al等金屬（合金）的高導(dǎo)熱性和56線膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線：

在水平階段，線膨脹系數(shù)為定值隨溫度升高，熱應(yīng)力增加，當該應(yīng)力值超過基體的屈服極限，但仍低于界面結(jié)合強度時，將使基體產(chǎn)生塑性變形，于是整個材料的線膨脹系數(shù)就取決于纖維的熱膨脹系數(shù)，表現(xiàn)為復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)迅速減少。約在670℃，C/Cu復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)達到最低值，以后進入上升階段?；w逐漸掙脫纖維束縛的過程，溫度越高，纖維對基體的束縛越小，線膨脹系數(shù)越大，最終接近基體的線膨脹系數(shù)。纖維含量增加，會改變線膨脹系數(shù)隨溫度的變化加入合金元素可以改變界面結(jié)合強度，界面結(jié)合強度提高，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)降低：C/Cu(Sn)與C/Cu一樣，物理結(jié)合；C/Cu(Ni)擴散結(jié)合；C/Cu(Fe)化學(xué)結(jié)合。C/Cu復(fù)合材料線膨脹系數(shù)-溫度曲線.線膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線：在水平階段，線膨脹系數(shù)為定值隨溫57Cu/FeNi復(fù)合材料熱膨脹特性Cu的膨脹系數(shù)遠大于FeNi，因此Cu/FeNi膨脹系數(shù)隨Cu含量的增加而較快增加在Cu含量相同時，膨脹系數(shù)則由FeNi合金的本身特點、FeNi顆粒與Cu顆粒在復(fù)合材料中的分布狀態(tài)以及FeNi與Cu的相互作用決定的。在Cu含量不是很大的情況下，每增加1%Cu，室溫膨脹系數(shù)約增加0.3×10-6/K.由于FeNi與Cu相互擴散，F(xiàn)eNi顆粒越小，Cu擴散進入FeNi顆粒所需擴散的距離越小，F(xiàn)eNi顆粒中的Cu含量越多，F(xiàn)eNi(Cu)的膨脹系數(shù)越大。FeNi顆粒越小，比表面積越大，越易接觸而形成FeNi網(wǎng)絡(luò)，此時Cu被FeNi包圍，其膨脹受到限制，而使整個材料的膨脹系數(shù)變小。FeNi粒度對材料膨脹系數(shù)的影響.Cu/FeNi復(fù)合材料熱膨脹特性Cu的膨脹系數(shù)遠大于FeNi58隨溫度的升高，擴散增強，會使FeNi內(nèi)部的Cu含量增加，同時FeNi的膨脹系數(shù)增大，因此Cu/FeNi復(fù)合材料的總的膨脹系數(shù)隨溫度上升而變大。隨著Cu含量增加，F(xiàn)eNi中達到一定Cu含量所需溫度越低，而較多含量的Cu會使FeNi膨脹系數(shù)增加的速度變小，因此隨Cu的含量升高，材料總的膨脹系數(shù)隨溫度的變化變緩。隨著溫度升高，Cu/FeNi復(fù)合材料膨脹系數(shù)受FeNi的影響變大，即更接近FeNi的膨脹系數(shù)，所以材料低溫膨脹系數(shù)實驗值比高溫膨脹系數(shù)實驗值更接近加和規(guī)律。Cu/FeNi在100℃和300℃時的膨脹系數(shù).隨溫度的升高，擴散增強，會使FeNi內(nèi)部的Cu含量增加，同時59二、燒蝕防熱復(fù)合材料（耐燒蝕復(fù)合材料或防熱復(fù)合材料）在熱流作用下能發(fā)生分解、熔化、蒸發(fā)、升華、輻射等多種物理和化學(xué)變化，借助材料的質(zhì)量消耗帶走大量熱量，以達到阻止熱流傳入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的目的，用以防護工程結(jié)構(gòu)在特殊氣動熱環(huán)境中免遭燒毀破壞，并保持必需的氣動外形，是航天飛行器、導(dǎo)彈