碳纖維的LFA導熱測試

——對制樣方法的改進與測試驗證

簡介

碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內剛”，質量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。

碳纖維具有許多優良性能，碳纖維的軸向強度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。良好的導電導熱性能、電磁屏蔽性好等。

碳纖維材料的導熱性能是衡量材料優劣的比較關鍵的參數。使用Netzsch激光導熱儀LFA特制的纖維樣品支架，可以很好地對其熱擴散系數進行表征，并最終計算導熱系數：

但對于這類測試，其制樣一直以來是個難題。究其原因，在于纖維樣品大多細、軟而韌性好，很難將其制成測試所需狀態。

纖維的制樣有兩個關鍵步驟：

1. 纖維扎束：將合適數量的纖維樣品扎成一束，其直徑匹配樣品支架規格（標準的為φ12.7mm樣品直徑）

2. 纖維切割：將這束纖維切割或修剪至合適的長度（即測試方向的厚度，一般控制在10mm以下）。

由于樣品軟且細，使用儀器自帶的制樣工具與Al2O3陶瓷環（用于扎束樣品）進行制樣十分困難，樣品制到最后往往容易分散，兩端不齊：

此文中，我們使用了聚酰亞胺膠帶作為陶瓷環的替代品，并改進了纖維束的切割與打磨方法，以此大大降低了制樣難度，提高了制樣效率，收到了良好的效果。

1. 纖維扎束：使用聚酰亞胺膠帶替代陶瓷環

由于陶瓷環為剛性材料，缺乏韌性與束緊力，很難將樣品緊緊的束在一起，導致樣品量很難控制，多了扎不進，少了會散開。而聚酰亞胺帶具有較強的韌性，可以根據樣品量來做成纖維束。不過在耐高溫方面，陶瓷環有著不可替代的優勢，所以本文中提到的測試一般限于350℃以下（對于350℃以上的測試，也可嘗試先用聚酰亞胺帶配合扎緊一定量的纖維樣品之后，再用陶瓷環箍住。聚酰亞胺帶在高溫下分解后，生成的是碳膜，且位于LFA檢測范圍之外，對測試無影響）。

聚酰亞胺帶與碳纖維樣品見下圖：

2. 纖維切割：使用剃發刀替代切割工具

制成成束的樣品，就會遇到第二個難題：切割。由于碳纖維材料普遍都是較有韌性而且散碎，所以怎樣將兩端切割光滑就非常困難，而兩端光滑平行又是導熱測試中基本的要求。在以前，我們常規的做法是剪刀修剪后用砂紙打磨：

或打磨機打磨，如下圖：

這些方法相對而言耗時較長，較為費力。本文使用另外一種辦法，使用剃須刀或剃發刀，將纖維束兩端修割平整，如下圖：

碳纖維類似于毛發，所以使用剃發刀，可以很輕易地將樣品兩端修平，然后再使用砂紙稍作打磨，即可達到測試需求。為了驗證重復性，我們特意將一種纖維重復制樣，下圖為兩個制成的樣品：

從圖中可看出，此類方法制成的樣品，厚度可控，兩端界面光滑平行，為較為理想的樣品狀態。

3.測試驗證

上圖為重復制樣三次的測試結果。結果可看出，該種制樣方法制成的樣品重復性高，基本可消除人為制樣因素的影響。

在保證測試重復性的基礎上，該制樣與測試方法也能有效區分不同導熱特性的樣品。如下圖所示，TC-5樣品的熱擴散系數明顯低于TC-6樣品：

將樣品的密度（若計算單絲導熱系數，使用碳纖維的真密度；若計算所制纖維束樣品的導熱系數，使用該束纖維由重量與體積計算得到的表觀密度）和比熱數值代入，即可測得纖維樣品的導熱系數，如下表所示：

結論

綜上，對于碳纖維樣品的LFA導熱測試（低于350℃），其制樣步驟可分為三步：

1. 使用聚酰亞胺膠帶，將纖維束成合適直徑的一束；

2. 使用剃頭刀，將樣品的兩個端面修剪至光滑平行；

3. 最后使用砂紙稍作局部的精細打磨。

該種方法制成的纖維束厚度可控，兩端光滑，結果重現性好，在中低溫下不失為原制樣方案及Al2O3陶瓷環的替代品。

作者：

肖杰

徐粱