復(fù)合材料的熱性能表征(characterization of the rmalproperties of composites)

復(fù)合材料在加熱或溫度變化時(shí)，所表現(xiàn)的物理性能，如線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等。

線膨脹系數(shù)    大多數(shù)物質(zhì)都有熱脹冷縮現(xiàn)象，復(fù)合材料的熱膨脹主要取決于增強(qiáng)體和基質(zhì)的線膨脹系數(shù)及其體積百分比。

線膨脹系數(shù)定義為溫度升高1℃材料的相對(duì)伸長。其測(cè)試方法是將一定尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試樣置于膨脹儀中升溫，記錄試樣的長度變化△L——溫度曲線，平均線膨脹系數(shù)α為：

式中L0為試樣室溫時(shí)的長度，mm；K為測(cè)量裝置的放大倍數(shù)，△T=T2-T1為溫度差，℃；α石英為對(duì)應(yīng)于(T2-T1)石英的線膨脹系數(shù)，取0.51×10^-6/℃；T1，T2為溫度間隔的下限和上限。

精確測(cè)定復(fù)合材料的平均線膨脹系數(shù)對(duì)于確定復(fù)合材料制品成型前后的體積收縮比，保證制品尺寸，防止制品變形，減小內(nèi)應(yīng)力等都是很重要的一項(xiàng)物理參數(shù)。

在復(fù)合材料的鋪層設(shè)計(jì)中需測(cè)定：

αL：∥纖維方向的線膨脹系數(shù)；

αT：⊥上纖維方向的線膨脹系數(shù)。

熱導(dǎo)率    熱導(dǎo)率是表征物質(zhì)熱導(dǎo)能力的物理量，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率測(cè)定是將厚度為d的標(biāo)準(zhǔn)試樣置于熱導(dǎo)率測(cè)量儀的加熱板上，達(dá)到穩(wěn)定后，精確測(cè)定試樣兩側(cè)的溫差△t。由加熱板的功率W和面積S，可求出復(fù)合材料的熱導(dǎo)率λ：

式中W為主加熱板在穩(wěn)定時(shí)的功率，W；d為試樣厚度，m；S為主加熱板的計(jì)算面積，m²；△t為試樣兩側(cè)的溫差，℃。

實(shí)際測(cè)定時(shí)同時(shí)測(cè)：

λL：∥纖維方向的熱導(dǎo)率；

λT：⊥上纖維方向的熱導(dǎo)率。

平均比熱容    1g物質(zhì)溫度升高1℃所吸收的熱量稱為比熱容。復(fù)合材料的平均比熱容用銅塊量熱計(jì)混合法(即降落法)測(cè)定。將標(biāo)準(zhǔn)試樣在加熱爐內(nèi)恒溫加熱一定時(shí)間后降落到銅塊量熱計(jì)中，試樣釋放的熱量被量熱計(jì)完全吸收，測(cè)量試樣和銅塊量熱計(jì)的溫度變化值，即可求出試樣的平均比熱容。

式中H為量熱計(jì)熱值，J/℃；t₀為落樣時(shí)刻的量熱計(jì)溫度，℃；t₀為量熱計(jì)最高溫度，℃；M為測(cè)驗(yàn)后試樣質(zhì)量，g；t為試樣在保溫期的溫度，℃；t_δ為量熱計(jì)溫度修正值，℃。

銅卡計(jì)法要求試樣加工成不同直徑的圓片，中央打孔，串成圓臺(tái)形，試樣尺寸要求較嚴(yán)，對(duì)炭纖維復(fù)合材料來說加工非常困難，因此可采用水卡計(jì)測(cè)定平均比熱容，將待測(cè)樣品切成塊，裝入試樣杯內(nèi)，加工方便，此法還可用來測(cè)定纖維和顆粒樹脂的比熱容，適用范圍較廣。

馬丁耐熱和熱變形溫度    是工業(yè)部門判斷塑料和復(fù)合材料耐熱性的方法，其測(cè)試原理是使試樣在規(guī)定外力作用下，以規(guī)定的等速升溫加熱，用達(dá)到規(guī)定形變量的溫度指標(biāo)來表示其耐熱性能。

馬丁耐熱和熱變形溫度的測(cè)試儀示意如圖1、2，兩者比較見表。

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度    非晶態(tài)高聚物在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)即介于玻璃態(tài)與高彈態(tài)之間，貯能模量急速下降，而損耗因子迅速增大，最大損耗因子對(duì)應(yīng)的溫度，稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，以T_g表示，它標(biāo)志材料的耐熱性。如果吸濕材料測(cè)定T。，則濕態(tài)T。是材料耐濕熱性能的標(biāo)志，對(duì)塑料來說，T_g為使用的最高溫度，對(duì)橡膠來說T。為使用的最低溫度。研究丁。能揭示高分子鏈結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系，剛性鏈T_g高，柔性鏈則T_g較低。T_g還提供凝聚態(tài)分子相互作用的狀態(tài)，如加入增塑劑，降低分子間的相互作用，則T_g下降，而引入極性基團(tuán)，以及增加分子間的相互作用如交聯(lián)、結(jié)晶、取向等都使T_g升高。測(cè)量玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T_g的方法，可用動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜、熱機(jī)械曲線、差示掃描量熱等方法。

(1)熱機(jī)械分析(TMA)。是在程序控溫下，測(cè)量試樣在恒定負(fù)荷作用下所產(chǎn)生的形變隨溫度變化的曲線，它在一定溫度范圍內(nèi)反映試樣在外力作用下形變的全過程。

樹脂基復(fù)合材料的耐熱性很大程度上取決于基質(zhì)的耐熱性。憑借溫度形變曲線分析，可用少量試樣即可確定聚合物的物理機(jī)械性能，如玻璃化溫度T。和黏流溫度Tf等，也可研究熱固性樹脂的固化程度等，大致了解材料的工藝性質(zhì)和適用范圍。

(2)熱重分析(TG)。在程序控溫下，測(cè)定物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度變化的一種熱分析方法，試驗(yàn)得到的曲線稱為熱重曲線(TG曲線)，典型的熱重曲線如圖3，圖中ab段為平臺(tái)區(qū)，T_i為起始分解溫度，在bc段試樣質(zhì)量急劇下降，bc段的斜率反映了熱失重速率；T_f為終止溫度，T_f以后曲線趨平。積段反映試樣殘存質(zhì)量的多少，提供了試樣耐灼燒性能的信息。

若以質(zhì)量變化率對(duì)溫度作圖，則為微分熱重曲線(DTG)，DTG曲線也為研究材料熱性能提供有用的資料。

(3)差熱分析(DTA)和差示掃描量熱分析(Dsc)。在程序控溫下使試樣和參比物在相同條件下升溫，若試樣因物理變化或化學(xué)變化發(fā)生吸熱或放熱，則試樣與參比物之間產(chǎn)生溫差，直接測(cè)試這一溫差則為DTA；若在發(fā)生溫差時(shí)給以功率補(bǔ)償，使試樣與參比物始終保持一致溫度，測(cè)量輸入到試樣和參比物的功率差與溫度的關(guān)系則為DSC。

應(yīng)用DTA或DSC技術(shù)，可研究伴隨試樣溫度變化過程中發(fā)生吸熱放熱現(xiàn)象的各種物理、化學(xué)變化，如聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變、結(jié)晶和熔化過程，熱固性樹脂的固化過程等，在聚合物和復(fù)合材料熱性能表征中有廣泛應(yīng)用。

阻燃性能    隨著復(fù)合材料用途的擴(kuò)大，對(duì)其阻燃性能的要求日益重要，阻燃性能表征有熾熱棒法、水平燃燒法、氧指數(shù)法等。

(1)熾熱棒法。將復(fù)合材料試樣一端水平支撐，另一端即自由端在規(guī)定時(shí)間內(nèi)與加熱到950℃±10℃的熾熱硅碳棒相接觸，根據(jù)試樣的燃燒情況對(duì)試樣的耐燃性作出評(píng)定。

(2)水平燃燒法。將試樣一端水平支撐，其自由端在規(guī)定時(shí)間內(nèi)與一定高度的本生燈火焰接觸，根據(jù)試樣的燃燒情況對(duì)試樣的耐燃性能作出評(píng)定。

(3)氧指數(shù)法。在指定條件下試樣在氧、氮混合氣流中維持平穩(wěn)燃燒所需的最低氧氣濃度，以氧所占的體積百分?jǐn)?shù)表示。氧指數(shù)值越高，表示材料的阻燃性能越好。