热传导增强型C/C复合材料导热性能及其模拟

摘要

C/C复合材料被广泛应用于许多超高温及温度剧烈变化的极端环境，并且需要将所产生的热量迅速传递出去，避免系统产生的过量热量对相邻部件的损伤。要求C/C复合材料不仅具有较高的热导率，而且还需将传输热量的方向也加以控制。本文在进行大量实验研究的基础上，深入、系统地研究了提高单向C/C复合材料热导率的方法，为C/C复合材料导热性能的研究提供一定的依据。
　　 本文通过Hummers法制备出氧化石墨烯，经热处理后获得氧化石墨热处理物，在透射电子显微镜下观察了石墨烯及其热处理物的形貌特征，获得了具有典型褶皱结构的氧化石墨烯片层，最大的片层可达几十微米。成功的将氧化石墨烯及其热处理物引入了单向C/C复合材料中，采用场发射扫描电镜观察到氧化石墨烯及热处理物片层覆盖在炭纤维表面，显示出其独特的石墨烯褶皱。
　　 利用单向C/C复合材料的结构优势，探讨了不同种类炭纤维(PAN基炭纤维、中间相沥青基XN60和P25炭纤维)、不同基体炭(中间相沥青、中温沥青)、热疏导功能体(石墨、氧化石墨烯)以及制备工艺过程(模压、炭化、石墨化)对单向C/C复合材料导热性能及取向性能的影响。获得了热导率高达510.89W/m.K的XN60炭纤维样品，发现作为单向导热材料，中间相沥青比中温沥青具有更优越的热物理性能。添加了热疏导功能体氧化石墨烯热处理物的炭化样品，有效地将材料的热导率较未添加的样品提高约一倍。随着热处理工艺阶段的进行，材料的微晶尺寸在增大，整体取向性较大提高的同时，热导率也逐渐增大。石墨材料的导热性能与取向性能是相互联系的。
　　 结合实验所得数据，利用已知的材料物性参数进行数学模拟，采用了6ambit前处理软件来建立模型及生成网格，由Fluent求解，TecPlot软件进行后处理，考察了当材料分别为各向同性和各向异性时，在理想状态下材料的热导率。在平行方向上，实际测量的单向C/C复合材料热导率值，介于假定石墨热导率为300W/m.K、400W/m.K时的模拟计算结果，高于当石墨导热为各向同性时129 W/m.K的热导率值，证明了所获材料中基体炭获得了较好的取向。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 C/C复合材料的性能

1.2.1 导热性能

1.2.2 取向性能

1.2.3 其它性能

1.3 氧化石墨烯及其复合材料

1.3.1 石墨烯的发现

1.3.2 氧化石墨烯

1.3.3 氧化石墨烯的合成

1.3.4 氧化石墨烯的应用

1.4 炭材料的热导率及其模拟计算

1.4.1 炭材料热导率的测量方法

1.4.2 数学模型和模拟方法

1.5 论文研究内容

第二章 试样制备与实验方法

2.1 原材料

2.2 主要仪器与设备

2.3 单向C/C复合材料的制备

2.3.1 实验流程

2.3.2 热模压工艺制备C/C复合材料

2.4 表征方法

2.4.1 X-射线衍射(XRD)分析

2.4.2 透射电子显微镜(TEM)

2.4.3 场发射扫描电子显微镜(FESEM)

2.4.4 导热性能测试

第三章 氧化石墨烯及其掺杂C/C复合材料的制备

3.1 氧化石墨烯及其热处理物的制备

3.1.1 氧化石墨烯的制备

3.1.2 氧化石墨烯热处理物的制备

3.2 氧化石墨烯的形貌表征

3.2.1 不同化学试剂用量对氧化石墨烯形貌的影响

3.2.2 高温阶段对氧化石墨烯形貌的影响

3.3 氧化石墨烯热处理物的形貌表征

3.4 氧化石墨烯及其热处理物掺杂C/C复合材料的制备及表征

3.5 本章小结

第四章 中间相沥青基单向C/C复合材料的导热性能研究

4.1 不同种类炭纤维对单向C/C复合材料导热性能的影响

4.2 不同基体炭对单向C/C复合材料导热性能的影响

4.3 热疏导功能体对单向C/C复合材料导热性能的影响

4.4 热处理阶段对单向C/C复合材料导热性能的影响

4.5 测试夹角对单向C/C复合材料热导率的影响

4.6 本章小结

第五章 单向C/C复合材料热导率的模拟计算

5.1 各性同性材料模拟计算

5.2 各性异性材料模拟计算

5.3 数学模拟计算结果分析

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢