上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240

碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、高比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是滿足結(jié)構(gòu)高性能化、輕量化要求的理想結(jié)構(gòu)材料，已成為繼鋁合金、鈦合金之后航空航天領(lǐng)域的常用材料[1-3]。經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的碳纖維薄殼結(jié)構(gòu)在質(zhì)量較輕的同時，還能取得較好的承載能力，并保持較高的穩(wěn)定度；但碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能較差，在復(fù)雜空間外熱流及內(nèi)熱源條件下，結(jié)構(gòu)容易形成較大溫度梯度，給熱控設(shè)計(jì)造成了較大的難度和不確定性。

為提升碳纖維復(fù)合材料的當(dāng)量導(dǎo)熱性能，目前采取的方法有在碳纖維復(fù)合材料中添加各類高導(dǎo)熱填料或?qū)ζ涑煞直壤⒗w維排布方式等進(jìn)行優(yōu)化，對碳纖維復(fù)合材料本身進(jìn)行導(dǎo)熱性能提升；但這類方法往往流程復(fù)雜，工藝難以控制，對當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的提升效果不顯著，或可能對材料力學(xué)性能造成影響[4-7]。在結(jié)構(gòu)表面粘貼附著導(dǎo)熱性能較好的金屬等薄膜材料，可以對基礎(chǔ)材料導(dǎo)熱性能有所改善。長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的學(xué)者研究了不同種類膜層材料對導(dǎo)熱性能的影響[8-10]，相關(guān)成果已經(jīng)嘗試應(yīng)用。另外有報道，在相機(jī)鏡筒外部包覆多層內(nèi)復(fù)合高導(dǎo)熱膜層材料的方法在綜合其他熱控措施的條件下實(shí)現(xiàn)了對相機(jī)的精密控溫[11]。

為研究幾種導(dǎo)熱增強(qiáng)方法在碳纖維殼結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的效果，設(shè)計(jì)了3種導(dǎo)熱增強(qiáng)方法，制作了試驗(yàn)件，并增加了對照組，進(jìn)行了真空熱試驗(yàn)驗(yàn)證，對幾種方法的效果進(jìn)行了優(yōu)劣比較分析。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件包含4件，基板材料均為厚度為4 mm的T700碳纖維試件，在試件一端粘貼加熱片作為熱源，并布置若干測溫點(diǎn)(1#～6#)，測點(diǎn)位置見圖1。端部附近區(qū)域進(jìn)行了高發(fā)射率表面處理，作為輻射散熱區(qū)域。

圖1 試驗(yàn)件Fig.1 Specimen

試件1粘貼的石墨高導(dǎo)熱膜是以聚酰亞胺薄膜為原料，通過化學(xué)方法在高溫高壓下制備而成的一類高導(dǎo)熱材料。為保證一定的導(dǎo)熱效率和實(shí)施工藝性，選用了厚度0.3 mm的產(chǎn)品；為與試件1膜層質(zhì)量相當(dāng)，試件2的導(dǎo)熱膜選用了0.05 mm厚度的紫銅箔；試件3和試件4表面不作處理，各試件外均包覆多層隔熱組件；試件3外包覆的多層隔熱組件內(nèi)增加了25 μm厚的高導(dǎo)熱膜，鋪在多層內(nèi)，通過加強(qiáng)多層內(nèi)橫向溫度均勻性來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體導(dǎo)熱能力；試件4多層隔熱組件按常規(guī)方法加工和包覆，作為試驗(yàn)對照組。試件1、試件2所用膠粘劑均為硅橡膠。

導(dǎo)熱增強(qiáng)措施見表1。

表1 導(dǎo)熱增強(qiáng)措施

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)件在KM1.5真空罐內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時熱沉溫度不高于100 K。試驗(yàn)件吊掛在真空罐內(nèi)，罐內(nèi)氣壓不高于1.33×10-3Pa,如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)狀態(tài)Fig.2 Testing condition

試驗(yàn)中，對各試驗(yàn)件分別施加1～5 W不等的功率，當(dāng)試件有測點(diǎn)溫度接近90℃時停止繼續(xù)增加功率。每施加一個功率，觀察測點(diǎn)溫度變化，直至達(dá)到穩(wěn)定，并記錄此時的溫度數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)件導(dǎo)熱模型

試驗(yàn)件局部截面如圖3所示，導(dǎo)熱膜粘貼區(qū)域長度為L。

圖3 試件導(dǎo)熱模型Fig.3 Specimens heat conduction model

忽略多層漏熱，導(dǎo)熱微分方程為：

(1)

將層間界面換熱視為碳纖維基板和導(dǎo)熱膜各自等效內(nèi)熱源，并忽略兩者自身在厚度方向上的溫差，得到：

(2)

式中：Q為試驗(yàn)件加熱功率；b為碳纖維復(fù)合材料基板寬度；δ0為厚度；t0(x)為溫度；λ0為導(dǎo)熱系數(shù)；δ1為表面粘貼的導(dǎo)熱膜厚度；λ1為導(dǎo)熱系數(shù)；t1(x)為溫度；h為兩者間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

沿X方向熱流歸一條件為：

輻射板區(qū)域?qū)娱g溫差為0，則邊界條件為：

x=L,t0=t1

式(2)減去式(3)，得：

引入Δt=t0-t1，則

該二階線性齊次常微分方程解為：

式中：e為自然常數(shù)。

為繪制碳纖維基板與導(dǎo)熱膜的溫差曲線，設(shè)h=1 000 W·m-2·K-1，λ0=5 W·m-2·K-1，λ1=500 W·m-2·K-1。在施加不同功率的條件下，基板與導(dǎo)熱膜溫差Δt與位置的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 層間溫差曲線Fig.4 Curve of temperature difference between layers

該曲線顯示在接近熱源的區(qū)域，基板與導(dǎo)熱膜溫度存在較大溫差，在距離熱源超過20 mm的位置后，該溫差已縮小至0.001℃量級，可以忽略不計(jì)。在離熱源大于20 mm處至輻射板邊緣的區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)熱膜與基板溫差極小，故可按并聯(lián)導(dǎo)熱關(guān)系描述導(dǎo)熱過程。當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)λeff由下式得出：

(4)

式中：A0和A1分別為碳纖維基板和導(dǎo)熱膜的橫截面積。由此可以看出，選用導(dǎo)熱性能好的材料作為導(dǎo)熱膜的同時，增大膜的厚度也是提升整體當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)件溫度曲線

各工況下的溫度曲線如圖5～圖8所示。

由以下曲線可得看出，各試件在各工況下沿板長方向的溫度呈近似線性分布，說明沿板長方向的導(dǎo)熱體現(xiàn)了傅里葉導(dǎo)熱方程的一般規(guī)律；試件1曲線較其他三件明顯平緩，測點(diǎn)間溫差較小，說明導(dǎo)熱能力與其他三件有較大差別；試件3溫度曲線相對其他試件線性相關(guān)性稍差，說明試件上各處多層的包覆效果存在不一致的情況，導(dǎo)致試件不同位置導(dǎo)熱膜的效果產(chǎn)生了相對偏差。

圖5 試件1溫度分布曲線Fig.5 Curve of 1# specimen temperature distribution

圖6 試件2溫度分布曲線Fig.6 Curve of 2# specimen temperature distribution

圖7 試件3溫度分布曲線Fig.7 Curve of 3# specimen temperature distribution

圖8 試件4溫度分布曲線Fig.8 Curve of 4# specimen temperature distribution

3.2 當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

各試驗(yàn)板測點(diǎn)2、3、4位于試件中部，距離熱源邊緣位置距離為40～140 mm，邊緣效應(yīng)及試件輻射散熱區(qū)域影響較小。從溫度曲線可以看出，3點(diǎn)位置與溫度關(guān)系均呈現(xiàn)出較強(qiáng)的線性相關(guān)，取各工況下測點(diǎn)2、3、4作為計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)，使用最小二乘法擬合當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果如表2～表5所示(線性相關(guān)系數(shù)r均不小于0.999)。

各試件導(dǎo)熱增強(qiáng)效果統(tǒng)計(jì)見表6。

由式(4)可得出導(dǎo)熱增強(qiáng)試驗(yàn)件當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)λeff與粘貼的導(dǎo)熱膜導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系。對照組試件4數(shù)據(jù)可得出碳纖維當(dāng)量自身導(dǎo)熱系數(shù)λ0的范圍是4.8～6.1 W·m-1·K-1，可以計(jì)算得到試件1中粘貼的石墨高導(dǎo)熱膜面向?qū)嵯禂?shù)λ1在480～660 W·m-1·K-1范圍內(nèi)(膠粘劑影響綜合在內(nèi))。試件2中銅箔由于厚度較薄，加上膠粘劑影響，由于綜合導(dǎo)熱增強(qiáng)效果不佳，銅箔粘貼后，由于綜合膠粘劑的影響，導(dǎo)熱系數(shù)分量λ1僅為22.3～45.3 W·m-1·K-1。

表2 試件1當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

表3 試件2當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

表4 試件3當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

表5 對照組當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

表6 導(dǎo)熱增強(qiáng)效果

試驗(yàn)中0.05 mm厚銅箔的面密度較0.3 mm石墨高導(dǎo)熱膜材面密度只小不到18%，而導(dǎo)熱增強(qiáng)效果卻相差近兩個數(shù)量級，說明在相同增重條件下，石墨高導(dǎo)熱膜材相對于普通金屬箔材在提高碳纖維材料當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)上有較大的優(yōu)勢。

試件3對試件整體導(dǎo)熱系數(shù)有明顯提升，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)水平增加了52%～75%，但對實(shí)現(xiàn)碳纖維基體材料均勻控溫的實(shí)用目的而言，作用仍不大。多層隔熱組件與碳纖維試件間存在著較大的熱阻，從這一角度而言，對多層進(jìn)行導(dǎo)熱強(qiáng)化意義不大；但對于在軌航天器，空間外熱流進(jìn)入內(nèi)部結(jié)構(gòu)件必然經(jīng)過多層隔熱組件，此時多層中的高導(dǎo)熱膜材料夾層可以較快地?cái)U(kuò)散外熱流，提高多層溫度均勻性，進(jìn)而間接提高內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度均勻性。在外熱流影響較大或?qū)ν鉄崃鬏^為敏感的區(qū)域應(yīng)用這種導(dǎo)熱強(qiáng)化措施有一定的作用。本次試驗(yàn)未從外部施加外熱流，這種方法的均熱效果未能得到充分體現(xiàn)。

4 結(jié)束語

針對碳纖維殼結(jié)構(gòu)的幾種導(dǎo)熱增強(qiáng)設(shè)計(jì)方法，在試驗(yàn)中均體現(xiàn)出一定效果?？臻g環(huán)境模擬試驗(yàn)結(jié)果說明，在導(dǎo)熱增強(qiáng)效果上，粘貼0.3 mm石墨高導(dǎo)熱膜要遠(yuǎn)優(yōu)于2層25 μm石墨高導(dǎo)熱膜復(fù)合多層，效果最差的是粘貼0.05 mm銅箔。粘貼石墨高導(dǎo)熱膜后，碳纖維基板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)提高了7倍，充分說明了該類高導(dǎo)熱膜的優(yōu)越均溫特性，而粘貼金屬箔材的方法由于增重顯著，限制了應(yīng)用厚度，不適于大面積使用。在有條件的情況下，同時應(yīng)用表面粘貼石墨高導(dǎo)熱膜和在多層內(nèi)增加高導(dǎo)熱薄膜兩種方法，兩者協(xié)同作用，可以使惡劣空間外熱流條件下的碳纖維殼結(jié)構(gòu)取得更好的控溫效果。