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碳纤维增强聚合物基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP）密度小、热膨胀系数低、热导率高、易于制备大尺寸轻质高强构件、易于规模化生产和商业化应用推广，在微电子设备及卫星的多功能结构中具有广泛应用前景。单向碳纤维复合材料的导热性能具有各向异性，因此，实际应用中通常采用具有交叉铺层的层合板结构。本文分别研究了铺层角度对M40J石墨碳纤维、T700碳纤维和中间相沥青基碳纤维复合材料层合板导热性能的影响规律；采用解析方法、有限元方法以及数值拟合方法建立了碳纤维复合材料导热性能预测模型，并与实验数据进行了验证分析。本文采用热压罐工艺制备了单向碳纤维复合材料试样，并测试了其力学性能和热性能。单向M40J/环氧复合材料模量较高，拉伸弹性模量为161.7GPa，弯曲模量为181.0GPa；单向T700/环氧复合材料强度较高，拉伸强度为1486MPa，弯曲强度为1687MPa。单向复合材料的线膨胀系数在沿纤维方向和垂直纤维方向上的差别较大，前者接近零膨胀或负膨胀，而后者则仅比树脂热膨胀系数略低。比热容随测试方向与纤维方向夹角的增大而升高，随测试温度的升高呈线性增长。热扩散率则随测试方向与纤维方向夹角的增大而降低，随测试温度的升高略有降低，但从室温上升到423K的温度区间，复合材料热扩散率的下降幅度在20%以内。系统研究了单向碳纤维复合材料的导热性能。制备的单向M40J/环氧E648和T700/环氧E648复合材料的纤维体积分数分别为60.3%和64.2%，在纤维方向的热导率分别为23.20W/mK和10.22W/mK，在厚度方向的热导率则分别为1.81W/mK和1.96W/mK。随测试温度升高，单向复合材料热导率呈线性趋势增加。在测试温度为423K时，单向M40J/环氧E648、T700/环氧E648、T700/环氧E23A复合材料纤维方向的热导率分别达到33.97、15.19和15.13W/mK；且随温度升高，单向碳纤维复合材料导热性能的各向异性更加显著。建立了单向碳纤维复合材料热导率分析的有限元模型，等效热导率计算结果与实验测试值吻合较好。采用解析方法和有限元方法，研究了碳纤维典型铺层复合材料层合板在不同方向的导热性能。正交铺层M40J/环氧E648复合材料层合板在0°、45°和60°方向面内热导率分别为12.13W/mK、10.35W/mK和12.02W/mK；[0/45/-45/0]铺层M40J/环氧E648复合材料层合板在0°、45°和60°方向的面内热导率分别为16.13W/mK、11.49W/mK和10.71W/mK。其他体系的碳纤维复合材料热导率变化规律与之相似。采用高导热率中间相沥青基碳纤维制备了单向中间相沥青基碳纤维增强环氧树脂复合材料（MPCFRP），测试了其导热性能。MPCFRP纤维方向热导率达59.39W/mK。MPCF的理论热导率可高达282.45W/mK。纤维体积分数为60%的单向MPCFRP纤维方向室温热导率可达到169W/mK；正交铺层MPCFRP面内主方向热导率均超过66W/mK。研究表明，采用中间相沥青基碳纤维制备的复合材料具备良好的导热性能，在多功能结构上具有很好的应用前景。