界面热阻实验装置与碳纤维增强板胶接热阻研究

摘要

碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer或Carbon Fiber Reinforced Plastic，简称CFRP）作为一种非常优质的复合材料，具有质量轻和强度高的特点，用途非常广泛，特别是在航天方面。针对我国新一代遥感气象监测卫星、深空探测卫星对高精度反射器的需求，高精度固面反射器的研制势在必行，而由碳纤维增强板与环氧树脂所构成的胶接结构是高精度固面反射器的重要组成部分。当反射器在轨道飞行时，热载荷是其主要的载荷，胶接部位的界面热阻对高精度固面反射器在轨运行状态的温度分布有重要影响。为有效预测高精度固面反射器在轨运行状态的温度分布及热变形大小，以便对其实施合理的热控设计和热变形控制，需要构建出精确的热分析模型，并且对界面热阻进行传热优化。
　　本文首先根据界面热阻测量原理，设计了一套装置，能测量真空环境中不同温度下CFRP单片结构的热导率和胶接结构的界面热阻。测量误差平均值为2.01％。
　　其次，以提高环氧树脂导热性能为目的，通过对环氧树脂胶添加高热导材料，例如氮化硅(β-Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、石墨烯等粉末，而后以特殊的方法制成复合材料，起到改善环氧树脂热导率的效果。实验表明，对环氧树脂添加单一高热导材料时，随着添加材料的增加，环氧树脂热导率均有不同程度的提高。
　　最后以改善的环氧树脂复合材料代替原来的环氧树脂，重新测量了胶接结构的界面热阻，以验证界面热阻是否减小。并且对胶接部分进行了拉伸性能分析，以观察添加的材料对环氧树脂粘接性能的影响。实验结果表明，氮化硅(β-Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、石墨烯等粉末试剂都可以有效减小胶接件的界面热阻。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 界面热阻国内外研究现状

1．2．1 界面热阻的宏观理论研究

1．2．2 界面热阻的微观理论研究

1．2．3 界面热阻的实验测量研究

1．3 热导率和界面热阻的理论分析

1．3．1 热导率

1．3．2 界面热阻

1．4 本文研究内容及意义

第2章 实验测试原理及装置

2．1 实验原理

2．1．1 热导率测量原理

2．1．2 界面热阻测量原理

2．2 实验装置介绍

2．2．1 抽真空系统

2．2．2 加热系统

2．2．3 冷却系统

2．2．4 数据采集系统

2．2．5 测试件部分

2．3 实验过程

2．3．1 实验装置准确性验证

2．3．2 环氧树脂热导率测量

2．3．3 CFRP热导率的测量

2．3．4 CFRP胶接件界面热阻的测量

2．3．5 添加导热填料后的试件力学性能研究

2．4 本章小结

第3章 实验结果与数据分析

3．1 实验装置测量结果

3．1．1 实验装置准确性验证

3．1．2 环氧树脂热导率的增强

3．1．3 CFRP板热导率测量结果

3．1．4 CFRP胶接结构界面热阻的测量及优化

3．2 电镜观察与胶接板力学性能分析

3．2．1 环氧树脂表面结构的观察

3．2．2 添加不同质量分数填料后胶体表面结构

3．2．3 添加导热填料对环氧树脂粘接性能的影响

3．3 本章小结

第4章 模拟结果与数据分析

4．1 不同功率的温度场模拟结果

4．2 相同条件下不同胶接界面热阻对温度场的影响

4．3 模拟结果与实验结果的对比

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果