基于微纳米填料导热改性复合材料点阵夹芯结构的力-热特性

As a new generation material with careful consideration of material, structure and function, composite sandwich structure with lattice truss cores just satisfies the strong desires of weight loss, volume constraint and multifunctional integration in aerospace field. However, the low thermal conduction of composite greatly restrict the potential application space of its structure. In this project, various micro/nano fillers are employed to improve the thermal conductivity of carbon fiber reinforced resin matrix composite. An effective thermal network model is developed for the nanocomposite, followed by revealing its thermal conductive mechanism. Furthermore, the effects of the nano-fillers on mechanical properties and heat transfer characteristic of nanocomposite sandwich structure with lattice truss core are carried out, as well as the the effects of the nano-fillers on interfacial behavior and mechanical properties of nanocomposites. Based on the mentioned above, to adjust and optimize the process scheme and technological mean to obtain the excellent integrated structure of load bearing and thermal control. The project would provide the solid foundation and technical reserves for the multi-functional integration and engineering application of composite sandwich structure with lattice truss cores.

减轻重量、节省体积、发展多功能结构是航空航天领域的迫切需求，作为集材料、结构和功能于一体的新型材料，复合材料点阵夹芯结构恰恰迎合了这一需求，但其薄弱的导热性能大大限制了其潜在的应用空间。本项目研究将采用不同微纳米填料对碳纤维增强树脂基复合材料进行导热改性，提出有效的热网络模型并揭示材料的导热机制；同时，研究填料对改性材料的界面行为和力学性能的影响机理，并探讨填料对点阵夹芯结构的力学特性和热传输特性的影响规律。基于上述分析，对填料改性的工艺方案和技术手段进行调整和优化，以获取相对优异的承载-热控一体化结构。本项目研究将为复合材料点阵夹芯结构多功能一体化的实现和工程应用提供坚实基础和技术储备。

纤维增强树脂基复合材料作为新一代轻质材料，被视为发展多功能结构的首选材料。尤其是多功能一体化潜力突出的复合材料点阵夹芯结构，在航空航天、高速列车、汽车制造等领域极具应用前景。然而，薄弱的导热性能和热稳定性大大限制了其在普遍存在的热服役工况下的应用。提高材料的导热性能和强化结构主动换热能力，将有助于纤维增强树脂基复合材料及其结构的热传输性能和温控能力的提升，对于其在热工况下的广泛应用具有重要意义。本项目研究采用了金属钉扎体强化和微纳米填料强化两种导热改性方式来提升碳纤维增强树脂基复合材料的导热性能，基于多相复合材料中各相分布状态、热网络形成程度提出了有效的导热性能理论预报模型，分别揭示了导热改性内在机制，并研究了导热强化相对材料界面行为和基本力学性能的影响。此外，导热改性纤维增强点阵夹芯结构在主动换热条件下的热传输性能、热机载荷作用下的热-流-固多场耦合性能被全面研究，揭示了结构的热传输强化的内在机理和导热改性的影响，并基于轻质-承载-热控多目标对点阵夹芯结构进行了构型优化设计。基于上述分析，进一步提出了改进工艺方案，即对钉扎强化复合材料进行表面金属化铜-镍双镀层处理和对微纳米填料进行基体亲和性预处理，分别构建导热整体网络和提高界面结合性，以实现导热性能再提升和力学性能下降的弱化。镀层的界面性能与稳定性、填料预处理的力学性能响应也分别被研究，基于力-热性能一体化的材料综合性能被表征与评价。研究获得了相对较好的导热改性工艺方案，实现了控制导热性能提升对力学性能的削弱作用，提升了材料力-热性能一体化程度。但是，相对矛盾的力学、热学两组性能还可以更好地协调于一体，材料的力-热综合性能基于改进工艺方案还有进一步提升空间。本项目研究进一步推进了纤维增强树脂基复合材料力-热功能一体化的进程，为复合材料及其点阵夹芯结构多功能一体化的实现和工程应用提供了理论基础和技术保障。