碳纳米管及石墨烯掺杂的炭炭复合材料性能的研究

摘要

炭/炭复合材料被广泛应用于超高温及温度剧烈变化的极端环境，且所产生的热量需迅速传递，要求炭/炭复合材料具有较高的导热系数。本课题采用掺杂法研究提高单向炭/炭复合材料导热系数的方法，为研究其导热性能提供依据。
　　 用直接掺杂法将碳纳米管掺杂中间相沥青制备出炭/炭复合材料炭化样品，再分别用十二烷基苯磺酸钠水溶液、甲基硅油、离子液体三种分散剂分散碳纳米管后涂覆炭纤维表面，制备出炭化样品。由透射电镜及扫描电镜分析得知：碳纳米管直接掺杂型的炭化材料，界面存在着分布不均匀的碳纳米管；而对于采用碳纳米管分散液涂覆法制备的炭化样品，碳纳米管都较均匀地分散在十二烷基苯磺酸钠水溶液、甲基硅油、离子液体，它在炭纤维与基体炭界面上分布得均匀且广泛。此掺杂型材料界面结合良好，结构致密。
　　 用Hummers法且高温炭化制备出所需氧化石墨烯，且通过类似于掺杂碳纳米管的方法，制备出氧化石墨烯直接掺杂型和分散液涂覆掺杂型炭/炭复合材料炭化样品，对比于无掺杂的单纯的炭化材料，经扫描电镜规察，在材料界面中炭纤维表面覆盖了较均匀光滑且清晰的褶皱石墨烯薄片层结构，且界面结构即致密又结合良好，尤其是氧化石墨烯离子液体分散液掺杂的炭化材料。
　　 对不同掺杂法，不同热疏导疏导体，不同分散液所制备出炭/炭复合材料炭化样品，在平行纤维方向与垂直纤维上的导向系数进行了测试。结果表明，无论是碳纳米管还是氧化石墨烯，分散液涂覆掺杂型>直接掺杂型>无掺杂型，且平行方向/垂直方向上的导热系数比值均缩小了。尤其是采用离子液体分散液涂覆掺杂的炭化材料，其导热性能提高得较多。平行方向上，碳纳米管离子液体分散液掺杂的炭化材料导热系数提高较高，而垂直方向上，氧化石墨烯离子液体分散液掺杂的炭化材料导热系数较大，均大于无掺杂炭化材料。