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

復合材料在加熱或溫度變化時，所表現的物理性能，如線膨脹系數、熱導率等。

線膨脹系數    大多數物質都有熱脹冷縮現象，復合材料的熱膨脹主要取決于增強體和基質的線膨脹系數及其體積百分比。

線膨脹系數定義為溫度升高1℃材料的相對伸長。其測試方法是將一定尺寸的標準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α為：

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

精確測定復合材料的平均線膨脹系數對于確定復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，減小內應力等都是很重要的一項物理參數。

在復合材料的鋪層設計中需測定：

αL：∥纖維方向的線膨脹系數；

αT：⊥上纖維方向的線膨脹系數。

熱導率    熱導率是表征物質熱導能力的物理量，復合材料的熱導率測定是將厚度為d的標準試樣置于熱導率測量儀的加熱板上，達到穩(wěn)定后，精確測定試樣兩側的溫差△t。由加熱板的功率W和面積S，可求出復合材料的熱導率λ：

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

實際測定時同時測：

λL：∥纖維方向的熱導率；

λT：⊥上纖維方向的熱導率。

平均比熱容    1g物質溫度升高1℃所吸收的熱量稱為比熱容。復合材料的平均比熱容用銅塊量熱計混合法(即降落法)測定。將標準試樣在加熱爐內恒溫加熱一定時間后降落到銅塊量熱計中，試樣釋放的熱量被量熱計完全吸收，測量試樣和銅塊量熱計的溫度變化值，即可求出試樣的平均比熱容。

式中H為量熱計熱值，J/℃；t₀為落樣時刻的量熱計溫度，℃；t₀為量熱計最高溫度，℃；M為測驗后試樣質量，g；t為試樣在保溫期的溫度，℃；t_δ為量熱計溫度修正值，℃。

銅卡計法要求試樣加工成不同直徑的圓片，中央打孔，串成圓臺形，試樣尺寸要求較嚴，對炭纖維復合材料來說加工非常困難，因此可采用水卡計測定平均比熱容，將待測樣品切成塊，裝入試樣杯內，加工方便，此法還可用來測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)部門判斷塑料和復合材料耐熱性的方法，其測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，用達到規(guī)定形變量的溫度指標來表示其耐熱性能。

馬丁耐熱和熱變形溫度的測試儀示意如圖1、2，兩者比較見表。

玻璃化轉變溫度    非晶態(tài)高聚物在玻璃態(tài)轉變區(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，最大損耗因子對應的溫度，稱為玻璃化轉變溫度，以T_g表示，它標志材料的耐熱性。如果吸濕材料測定T。，則濕態(tài)T。是材料耐濕熱性能的標志，對塑料來說，T_g為使用的最高溫度，對橡膠來說T。為使用的最低溫度。研究丁。能揭示高分子鏈結構與力學性能之間的關系，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，以及增加分子間的相互作用如交聯(lián)、結晶、取向等都使T_g升高。測量玻璃化轉變溫度T_g的方法，可用動態(tài)力學溫度譜、熱機械曲線、差示掃描量熱等方法。

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

樹脂基復合材料的耐熱性很大程度上取決于基質的耐熱性。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和適用范圍。

(2)熱重分析(TG)。在程序控溫下，測定物質的質量隨溫度變化的一種熱分析方法，試驗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段為平臺區(qū)，T_i為起始分解溫度，在bc段試樣質量急劇下降，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量的多少，提供了試樣耐灼燒性能的信息。

若以質量變化率對溫度作圖，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變化發(fā)生吸熱或放熱，則試樣與參比物之間產生溫差，直接測試這一溫差則為DTA；若在發(fā)生溫差時給以功率補償，使試樣與參比物始終保持一致溫度，測量輸入到試樣和參比物的功率差與溫度的關系則為DSC。

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

阻燃性能    隨著復合材料用途的擴大，對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、氧指數法等。

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

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

(3)氧指數法。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數表示。氧指數值越高，表示材料的阻燃性能越好。