Экспериментальное определение и контроль теплопроводности углеродных композиционных материалов повышенной проводимости

Аннотация

Рассмотрен метод экспериментального определения и контроля однородности теплопроводности в плоскости армирования по направлению выкладки волокон для радиаторов в форме тонкостенных пластин из анизотропных композиционных материалов исходя из экспериментально измеренных зависимостей температуры от координаты. Метод основан на решении задачи теплопроводности в ребре постоянного поперечного сечения при радиационном сбросе теплоты со свободных поверхностей. Для реализации метода разработана экспериментальная установка на базе вакуумной камеры УВМ-15У, оснащенной электронагревательным элементом регулируемой мощности и средствами термоскопии. Приведены результаты экспериментального применения данного метода на металлических образцах и образце из полимерного композиционного материала, армированного пековым высокомодульным волокном. Предельная температура в экспериментах не более 140 °С, что соответствует эксплуатационным температурам современных систем терморегулирования космических аппаратов и электроники. Полученные значения теплопроводности образцов из алюминиевого сплава АМц и меди совпадают со значениями теплопроводности, приведенными в справочниках, отклонение составляет менее 5 %. Исследуемый образец из полимерного композиционного материала с повышенной теплопроводностью имеет существенную температурную неоднородность в поперечном сечении, разность расчетных значений теплопроводности количественно достигает 100 %. В результате экспериментов выявлена неоднородность внутренней структуры образца, что, предположительно, связано с наличием повреждений углеродных волокон

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Бердов Р.Д., Волков Н.Н., Волкова Л.И. и др. Экспериментальное определение и контроль теплопроводности углеродных композиционных материалов повышенной проводимости. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2025, № 2 (153), c. 4--19. EDN: UHKIRK

Литература

[1] Bandhu D., Khadir M.D., Kaushik A., et al. Innovative approaches to thermal management in next-generation electronics. E3S Web Conf., 2023, vol. 430, art. 01139. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202343001139

[2] Garimella S.V., Yeh L.-T., Persoons T. Thermal management challenges in tele-communication systems and data centers. IEEE Trans. Compon., Packag., Manuf. Technol., 2012, vol. 2, no. 8, pp. 1307--1316. DOI: https://doi.org/10.1109/tcpmt.2012.2185797

[3] Белоглазов А.П., Еремин А.Г., Немыкин С.А. и др. Оценка возможности использования углеродного материала в конструкции холодильника-излучателя космического аппарата. Космическая техника и технологии, 2020, № 1, с. 42--47. EDN: GLBBBA

[4] Silva C., Marotta E., Schuller M., et al. In-plane thermal conductivity in thin carbon fiber composites. J. Thermophys. Heat Transf., 2007, vol. 21, no. 3, pp. 460--467. DOI: https://doi.org/10.2514/1.27859

[5] Казанцев З.А., Ерошенко А.М., Бабкина Л.А. и др. Анализ конструкций солнечных батарей космических аппаратов. Космические аппараты и технологии, 2021, № 3, с. 121--136. DOI: https://doi.org/10.26732/j.st.2021.3.01

[6] Резник С.В., Денисов О.В., Нелюб В.А. и др. Исследования теплопроводности углепластиков в широком диапазоне эксплуатационных температур с использованием элементов натурных конструкций. Все материалы. Энциклопедический справочник, 2012, № 3, с. 2--6. EDN: OTPWIB

[7] Yuan G., Li X., Dong Z., et al. Pitch-based ribbon-shaped carbon-fiber-reinforced one-dimensional carbon/carbon composites with ultrahigh thermal conductivity. Carbon, 2014, vol. 68, pp. 413--425. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.11.018

[8] Minus M., Kumar S. The processing, properties, and structure of carbon fibers. JOM, 2005, vol. 57, no. 2, pp. 52--58. DOI: https://doi.org/10.1007/s11837-005-0217-8

[9] Manocha L.M., Warrier A., Manocha S.M., et al. Thermophysical properties of densified pitch based carbon/carbon materials--I. Unidirectional composites. Carbon, 2006, vol. 44, no. 3, pp. 480--487. DOI: https://doi.org/10.1016/J.CARBON.2005.08.012

[10] Михайловский К.В., Просунцов П.В., Резник С.В. Разработка высокотеплопроводных полимерных композиционных материалов для космических конструкций. Инженерный журнал: наука и инновации, 2012, № 9. DOI: https://doi.org/10.18698/2308-6033-2012-9-375

[11] Schuster J., Heider D., Sharp K., et al. Measuring and modeling the thermal conductivities of three-dimensionally woven fabric composites. Mech. Compos. Mater., 2008, vol. 45, no. 2, pp. 165--174. DOI: https://doi.org/10.1007/S11029-009-9072-Y

[12] Hatta H., Taya M. Thermal conductivity of coated filler composites. J. Appl. Phys., 1986, vol. 59, no. 6, pp. 1851--1860. DOI: https://doi.org/10.1063/1.336412

[13] Zhang G., Xia Y., Wang H., et al. A percolation model of thermal conductivity for filled polymer composites. J. Compos. Mater., 2010, vol. 44, no. 8, pp. 963--970. DOI: https://doi.org/10.1177/0021998309349690

[14] Пономарев С.В., Мищенко С.В., Дивин А.Г. Теоретические и практические аспекты теплофизических измерений. Тамбов, Изд-во ТГТУ, 2006.

[15] Zhao D., Qian X., Gu X., et al. Measurement techniques for thermal conductivity and interfacial thermal conductance of bulk and thin film materials. J. Electron. Packag., 2016, vol. 138, no. 4, art. 040802. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4034605

[16] Vozar L., Hohenauer W. Flash method of measuring the thermal diffusivity. A review. HTHP, 2003, vol. 35-36, no. 3, pp. 253--264.

[17] Pietrak K., Wisniewski T.S., Kubis M. Application of flash method in the measurements of interfacial thermal resistance in layered and particulate composite materials. Thermochim. Acta, 2017, vol. 654, pp. 54--64. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tca.2017.05.007

[18] Резник С.В., Просунцов П.В., Денисов О.В. и др. Расчетно-экспериментальное определение теплопроводности углепластика в плоскости армирования на основе бесконтактного измерения температуры. Тепловые процессы в технике, 2016, т. 8, № 12, с. 557--563. EDN: XEFEDZ

[19] Modest M.F. Radiative heat transfer. San Diego, Academic Press, 2003.

[20] Николаева Е.А., Тимофеев А.Н., Михайловский К.В. Способы повышения коэффициентов теплопроводности полимеров и полимерных композиционных материалов. Информационно-технологический вестник, 2018, № 1, с. 156--168. EDN: YXCNGW

[21] Каблов Е.Н., Гуняев Г.М., Ильченко С.И. и др. Конструкционные углепластики с повышенной проводимостью. Авиационные материалы и технологии, 2004, № 2, с. 25--36. EDN: QMVRWV

[22] Попов И.А., Хамидуллин О.Л., Константинов Д.Ю. и др. Оценка теплопроводности новых углеродных полимерных композитных материалов. Тепловые процессы в технике, 2023, т. 15, № 9, с. 421--428. EDN: IWPOIT