高导热沥青基碳纤维及热疏导C_SiC-ZrC复合材料的微观结构与导热性能研究.pdf
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1、实验报告 高科技纤维与应用 年第 期 高导热沥青基碳纤维及热疏导/复合材料的微观结构与导热性能研究张宝鹏 朱申 高峰阁 孙娅楠 杨小健 刘伟 陈智武(航天特种材料及工艺技术研究所 北京 陕西天策新材料科技有限公司 西安 装备部驻北京地区第六军事代表室 北京)摘 要:为了满足航空航天飞行器热结构部件对材料的耐温需求 需要提高陶瓷基复合材料的导热性能 传统聚丙烯腈基碳纤维增强/陶瓷基复合材料在室温至 范围内的热导率仅为 /()采用高导热中间相沥青基碳纤维作为增强体和导热通道 制备出热疏导/陶瓷基复合材料 该复合材料在宽温域范围内具有显著的高导热特性 当纤维体积分数约为 时 沥青基碳纤维增强陶瓷基复
2、合材料的室温热导率达到/()随着温度升高 热导率逐渐降低 在 时降低至 /()这种变化趋势主要是由于沥青基碳纤维在高温下声子热传导减弱导致的关键词:中间相沥青基碳纤维 陶瓷基复合材料 热导率 微观结构中图分类号:文献标识码:文章编号:()基金项目:国家自然科学青年基金(、)作者简介:张宝鹏()博士 高级工程师 主要从事航天特种材料及工艺技术研究 电子邮箱:/():.()/().()/.实验报告 年第 期高科技纤维与应用 /()/().:引言随着航空航天技术的快速发展 热管理成为许多领域发展的一项关键技术 高速飞行器的驻点温度高、热应力大 需要轻质、耐高温、高导热材料发挥热疏导功能 从而简化防热
3、设计提升飞行器的可靠性 传统的金属(如铝、铜等)散热材料由于其自身密度大、耐温等级低、热膨胀系数高、微量杂质存在会导致热导率大幅下降等缺陷 难以满足飞行器发展需求 因此新型高导热材料的研究和开发变得越来越重要碳纤维增强陶瓷基复合材料 如/、/和/因其具有低密度、高强度、高模量、高温抗氧化耐烧蚀等优异性能 在航空航天领域获得了广泛的应用 然而 由于导热性能不足 现有陶瓷基复合材料在许多构件中的应用受到了较大限制 引入高导热组元是提高陶瓷基复合材料导热性能的有效途径 例如 添加碳纳米管和石墨填料可以使复合材料的导热系数略有提高 达到 /()但仍低于铝或铜陶瓷基复合材料主要由碳纤维和陶瓷基体组成 如
4、果采用导热性能较高的碳纤维作为热扩散通道 预期可以提高复合材料的导热性能 与传统的聚丙烯腈基碳纤维()相比 中间相沥青基碳纤维()的石墨晶体尺寸大、取向度高 具有更高的导热系数 /()本文创新采用高导热中间相沥青基碳纤维制备了热疏导 /陶瓷基复合材料 显著提升了材料的导热性能同时 对沥青基纤维和 /复合材料的微观结构特征和热传导机理进行了研究 阐述了温度对纤维及复合材料导热性能的影响规律 实验方法 原材料以陕西天策新材料科技有限公司生产的商用中间相沥青基碳纤维为原料制备陶瓷基复合材料硅 锆陶瓷前驱体由中国科学院化学研究所提供前驱体的黏度约为 试样制备采用中间相沥青基碳纤维作为陶瓷基复合材料的增
5、强体 首先将表面均匀浸渍树脂的纤维铺在不锈钢模具中 然后 将模具放入热压机中并在 下热处理 获得碳纤维坯体 将坯体依 次 经 过 碳 化 石墨化处理后获得纤维预制体 然后 使用 陶瓷前驱体进行了多轮次聚合物浸渍 裂解工艺()直到复合材料的密度增长率低于 最终获得热疏导 /陶瓷基复合材料 将复合材料制成 的试样 用于测试热扩散系数 加工成 的样品来测试比热容 /复合材料的织构如图 所示 性能测试通过扫描电子显微镜和微米 观察了中间相沥青基碳纤维和 /复合材料的微观形貌和结构 采用激光闪射法测试纤维及复合材料的热扩散系数 通过差示扫描量热法()实验报告 高科技纤维与应用 年第 期 图 热疏导 /复
6、合材料的织构图测量复合材料的比热容 通过排水法获得材料的密度 再根据以下等式计算出试样的热导率:结果和讨论 中间相沥青基碳纤维的微观结构图 是经过 石墨化处理后中间相沥青基纤维的表面、横截面微观形貌及透射照片 从图 可以观察到 中间相沥青基碳纤维与 基碳纤维有显著区别 前者具有典型的楔形 劈 裂 特 征 纤 维 的 劈 裂 角 度 为 直径为 扫描及透射结果表明纤维在轴向方向上呈明显的石墨片层状结构 层间平行度较高 经测量 纤维中()晶面的晶面间距约为 由此计算出该纤维的石墨化度约为 纤维的轴向热导率根据 方程计算 纤维的密度、比热容和热扩散系数分别为 /、/()和 /因此 在室温下 高导热纤
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