摘要
随着航空航天产业等领域的发展，人们对高导热材料提出了新的要求，希望材料具有高导热能力，又要求其质轻、耐腐蚀、耐高温，传统的金属及其氧化物导热材料已不能完全满足上述需求。然而大多数层合复合材料厚度方向导热性能较差，无法及时将电子元器件所产生热量较快导出，而三维正交机织结构在厚度方向具有连续的导热通道，可以满足特殊环境下对材料结构质轻，高承载性能及高导热性能的使用要求。 本文从高导热复合材料设计、制备和热传导性能等角度对三维正交机织复合材料展开研究。主要内容包括: (1)本文根据三维正交机织物结构特点，设计、织造不同经纱层数、不同经纬密度和不同Z纱种类的三维正交机织物，并通过VARTM工艺制备复合材料。 (2)采用激光闪射法测量三维正交机织复合材料面内和厚度方向导热系数，探讨了三维正交机织物结构对复合材料导热系数的影响;采用面热源热传导和红外热像仪装置，探究不同预制件纤维体积分数、经纱层数、Z纱种类和织造密度对复合材料的热传导过程及热响应机理。 (3)根据三维正交机织复合材料中纱线形貌结构和尺寸，建立三维正交机织复合材料全尺寸结构模型。结合隐式求解器ABAQUS/Standard，探究三维正交机织复合材料的热传导过程、揭示其导热机理。 论文主要结论: (1)三维正交机织复合材料的面内和厚度方向导热性能存在明显的各向异性，其厚度方向导热系数为1.94～4.12，面内方向导热系数为2.315～4.527;三维正交机织复合材料的导热系数随着纤维体积分数的增加而增加，且与z纱体积分数具有更为明显的正相关性。与层合材料相比，三维正交机织物复合材料的厚度方向热传导过程不均匀。大量的热量可以通过传导网络中的z纱从热源表面迅速传递到热沉表面。 (2)不同结构三维正交机织复合材料有限元模拟结果与实验测量结果具有良好的一致性。由于存在热辐射和对流，实验结果的热平衡时间短于有限元分析结果且复合材料纤维体积分数越高，有限元与实验测量结果越相近。 (3)从三维正交机织复合材料热流及温度分布云图发现，热流密度集中在Z纱所在区域，三维正交机织物其余部分对厚度方向热传导贡献较小，非热流方向上几乎没有热量分布。热传导过程中温度存在明显的层内不均匀性;分析平纹层合复合材料热传导有限元结果发现，平纹层合材料的热流密度集中在经纬纱交织区域并逐层递减，靠近热源的几层平纹预制件存在面内(即非热流方向上)的扩散。
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