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碳纤维的LFA导热测试 —对制样方法的改进与测试验证

来源：时间：2024-01-30 13:56:21 浏览：677次

简介

碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。

碳纤维材料的导热性能是衡量材料优劣的比较关键的参数。使用Netzsch激光导热仪LFA特制的纤维样品支架，可以很好地对其热扩散系数进行表征，并最终计算导热系数：

但对于这类测试，其制样一直以来是个难题。究其原因，在于纤维样品大多细、软而韧性好，很难将其制成测试所需状态。

纤维的制样有两个关键步骤：

1. 纤维扎束：将合适数量的纤维样品扎成一束，其直径匹配样品支架规格（标准的为φ12.7mm样品直径）

2. 纤维切割：将这束纤维切割或修剪至合适的长度（即测试方向的厚度，一般控制在10mm以下）。

由于样品软且细，使用仪器自带的制样工具与Al2O3陶瓷环（用于扎束样品）进行制样十分困难，样品制到最后往往容易分散，两端不齐：

此文中，我们使用了聚酰亚胺胶带作为陶瓷环的替代品，并改进了纤维束的切割与打磨方法，以此大大降低了制样难度，提高了制样效率，收到了良好的效果。

1. 纤维扎束：使用聚酰亚胺胶带替代陶瓷环

由于陶瓷环为刚性材料，缺乏韧性与束紧力，很难将样品紧紧的束在一起，导致样品量很难控制，多了扎不进，少了会散开。而聚酰亚胺带具有较强的韧性，可以根据样品量来做成纤维束。不过在耐高温方面，陶瓷环有着不可替代的优势，所以本文中提到的测试一般限于350℃以下（对于350℃以上的测试，也可尝试先用聚酰亚胺带配合扎紧一定量的纤维样品之后，再用陶瓷环箍住。聚酰亚胺带在高温下分解后，生成的是碳膜，且位于LFA检测范围之外，对测试无影响）。

聚酰亚胺带与碳纤维样品见下图：