1、炭材料(如炭纖維、C/C復合材料、石墨材料等)具有低密度、低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)異的機械性能和較高的熱導率等優(yōu)點,是近年來熱管理領域里最具發(fā)展前景的一類導熱材料。但是炭材料內(nèi)部石墨晶體的特殊性(各向異性)和多樣性(微晶尺寸及其取向不同)決定了其導熱性能大相徑庭,從一般石墨材料的70～150W/m.K到氣相生長炭纖維軸向的1950W/m.K不等。因此控制炭材料內(nèi)部石墨微晶尺寸、取向及其連續(xù)性是提高其特定方向室溫熱導率的關鍵。本論文以萘系中間相瀝

2、青為原料,通過熔融紡絲制備了毫米寬度的帶狀瀝青纖維,經(jīng)預氧化、炭化和石墨化處理得到石墨層片高度取向的高導熱帶狀石墨纖維。選擇氧化穩(wěn)定化并低溫熱處理后的帶狀纖維與中間相瀝青粘結(jié)劑進行復合再中溫(500℃)熱壓制備一維帶狀纖維/C復合材料,此材料經(jīng)后續(xù)炭化和石墨化處理得到石墨層片沿帶狀纖維長度方向高度擇優(yōu)取向的一維高導熱C/C復合材料。同時利用中間相瀝青為粘結(jié)劑和廉價易得的高結(jié)晶度天然鱗片石墨為骨料,采用相同的成型和熱處理工藝制備了高定向高

3、導熱石墨材料。研究工作取得的主要結(jié)論如下:
　　 1、中間相瀝青基帶狀纖維的制備、表征及其性能測試
　　 (1)以中間相瀝青為原料,采用熔融紡絲工藝制備出表面光潔平整、寬度(0.3～1.5 mm)和厚度(15～30μm)可控的帶狀瀝青纖維。帶狀瀝青纖維經(jīng)220～260℃氧化穩(wěn)定化“固定”住了帶狀纖維的形貌和結(jié)構(gòu),在隨后高溫炭化和石墨化過程中帶狀纖維內(nèi)部石墨微晶生長發(fā)育,其微晶尺寸逐漸變大,微晶三維有序堆積結(jié)構(gòu)逐步完善,石

4、墨層片沿帶狀纖維主平面高度取向。而且?guī)罾w維在高溫熱處理過程中保持其帶狀形態(tài),不發(fā)生變形(劈裂、褶皺和卷曲),有效克服了徑向輻射狀圓形纖維的易劈裂難題。
　　 (2)熱處理溫度對帶狀纖維的抗氧化性能和力學性能有顯著影響,熱處理溫度越高,帶狀纖維的結(jié)晶度和石墨化度越高,其抗氧化性能越好。2800～3000℃石墨化帶狀纖維的抗氧性能明顯優(yōu)于K-1100石墨纖維。1.5mm寬帶狀纖維低溫(400～700℃)熱處理后的力學性能較低,經(jīng)過

5、1000℃炭化處理后其力學性能明顯提高,拉伸強度和彈性模量分別達到了876MPa和109GPa,經(jīng)3000℃石墨化處理后帶狀纖維的拉伸強度和彈性模量進一步提高至2.53GPa和421GPa。
　　 (3)隨著熱處理溫度的提高,帶狀纖維的軸向?qū)щ娦阅懿粩嗵岣摺?.5mm寬帶狀纖維經(jīng)3000～3200℃石墨化后其室溫軸向電阻率僅為1.05～1.08μΩ.m,比K-1100石墨纖維的室溫軸向電阻率(1.17μΩ.m)低。根據(jù)中間相瀝青

6、基炭纖維的導電導熱關聯(lián)式計算得到1.5mm寬帶狀纖維的室溫軸向熱導率可達1100～1200W/m.K。
　　 2、一維高導熱帶狀纖維/C復合材料的制備、表征及其性能測試
　　 (1)以單向鋪排帶狀纖維為基體材料,在其表面均勻涂覆適量的中間相瀝青粘結(jié)劑,經(jīng)500℃一次熱壓成型再高溫炭化、石墨化處理,可以制備較高體積密度的一維帶狀纖維/C復合材料。隨著熱處理溫度的不斷提高,復合材料的體積密度逐漸增加。500℃熱壓成型樣品的體

7、積密度約為1.2～1.3 g/cm3,1000℃炭化處理后其體積顯著收縮,密度增至1.7～1.8 g/cm3,3000℃石墨化后材料的體積密度達到了1.85～1.90g/cm3。
　　 (2)XRD、PLM和SEM測試分析表明,1.5 mm寬帶狀纖維/C復合材料具有明顯的結(jié)構(gòu)各向異性,帶狀纖維在復合材料中單向有序排布,其主平面沿熱壓方向有序堆積,內(nèi)部石墨層片沿帶狀纖維長度方向高度擇優(yōu)取向。電阻率和熱擴散系數(shù)測試表明,該復合材料具

8、有顯著的電學和熱學各向異性,沿帶狀纖維長度方向具有優(yōu)異的導電和導熱性能。3000℃石墨化復合材料沿帶狀纖維長度方向和帶狀纖維主平面堆積方向的室溫電阻率分別為1.5μΩ.m和22.2μΩ.m,其相應熱導率為862 W/m.K和11 W/m.K。熱處理溫度對復合材料沿帶狀纖維長度方向的室溫熱擴散系數(shù)和熱導率有重要影響,熱處理溫度越高,其熱傳導性能越好。復合材料沿帶狀纖維長度方向的室溫熱導率與其熱處理溫度和體積密度之間有著良好的線性關聯(lián),其相

9、關系數(shù)(0.98和0.95)較高。
　　 (3)帶狀纖維的寬度和纖維的截面形態(tài)對復合材料的體積密度、室溫熱擴散系數(shù)和熱導率有重要影響。0.5mm和0.3mm窄帶狀纖維/C復合材料的體積密度較高(1.88～1.91g/cm3),沿帶狀纖維長度方向的室溫熱擴散系數(shù)和熱導率分別為570～580mm2/s和820～830W/m.K;圓形纖維/C復合材料的體積密度較低(1.70g/cm3),沿纖維長度方向的室溫熱擴散系數(shù)和熱導率分別為55

10、4mm2/s和707W/m.K。雖然1.5mm寬帶狀纖維/C復合材料的體積密度(1.86g/cm3)稍低,但是沿帶狀纖維長度方向的熱擴散系數(shù)(618mm2/s)明顯較高,因此相應熱導率(862W/m.K)也較高。
　　 3、天然鱗片石墨基高導熱石墨材料的制備、表征及其性能測試
　　 (1)以天然鱗片石墨和中間相瀝青分別為骨料和粘結(jié)劑,采用500℃一次熱壓成型再高溫熱處理可以制備較高體積密度的石墨塊。鱗片石墨粒徑、中間相瀝

11、青粘結(jié)劑用量、熱壓壓力和熱處理溫度等對石墨塊的體積密度有一定的影響,86wt.％天然鱗片石墨(+32目)和14wt.%中間相瀝青混合料經(jīng)10MPa壓強熱模壓成型的炭塊經(jīng)2800℃石墨化后其體積密度達到1.91g/m3以上。
　　 (2)XRD、PLM和SEM測試分析表明,制備的石墨塊具有明顯的結(jié)構(gòu)各向異性,天然鱗片石墨主平面沿熱壓方向高度有序堆積排列。除體積密度和比熱容外,石墨塊其它物理性能(如力學性能、導電性能、導熱性能)具有

12、明顯的各向異性,在垂直和平行熱壓方向存在較大差異。
　　 (3)石墨塊沿垂直熱壓方向的室溫電阻率受天然鱗片石墨粒徑、中間相瀝青粘結(jié)劑用量和熱處理溫度的影響較大。2800℃石墨化后的石墨塊沿垂直熱壓方向具有優(yōu)異的導電和導熱性能,其室溫電阻率和熱導率分別達到了1.45μΩ.m和1622 W/m.K,而在平行熱壓方向的室溫電阻率和熱導率分別為8.35μΩ.m和25W/m.K。該石墨塊在垂直熱壓方向的耐壓強度(11.3MPa)和抗彎強度

13、(7.7MPa)較低。
　　 (4)除熱處理溫度、中間相瀝青粘結(jié)劑的用量和晶體取向?qū)κ珘K的熱導率有非常明顯的影響以外,其它因素(如測試環(huán)境溫度、天然鱗片石墨的粒度、不同的瀝青粘結(jié)劑、熱壓成型溫度、摻雜處理等)也會影響石墨材料的熱導率。
　　 4、高導熱炭材料的導熱導電性能關聯(lián)及其導熱機理初步探討
　　 (1)帶狀炭(石墨)纖維及其一維C/C復合材料的室溫軸向熱導率與其軸向電阻率、石墨化度和石墨微晶參數(shù)(d002

14、、Lc、La)密切關聯(lián),其相關系數(shù)都較高(≥0.91)。石墨塊沿垂直熱壓方向的室溫熱導率與此方向的電阻率關聯(lián)度不大,但是和瀝青粘結(jié)劑衍生石墨的微晶參數(shù)(Lc、La)有一定關聯(lián),其相關系數(shù)(0.46和0.64)較低。
　　 (2)由帶狀纖維室溫軸向熱導率和電阻率的關聯(lián)式可知:3000℃石墨化帶狀纖維的室溫軸向熱導率達到了1084～1174W/m.K。利用一維C/C復合材料的熱導率混合計算公式反推3000℃石墨化帶狀纖維的室溫軸向熱

15、導率可達到1136W/m.K,這表明利用帶狀纖維軸向電阻率來計算其軸向熱導率是有效可行的。采用這兩種方法預測C/C復合材料沿帶狀纖維長度方向的室溫熱導率有望達到890～920W/m.K。
　　 (3)3種高導熱炭材料(帶狀纖維、C/C復合材料、石墨材料)的導熱機理分析表明:炭材料熱傳導性能受樣品熱處理溫度、石墨化度、微晶參數(shù)和晶體取向的影響較大。炭材料內(nèi)部石墨微晶的尺寸大小是決定其導熱性能高低的主要內(nèi)在因素之一,其沿垂直熱壓方向