萘系中间相沥青基炭纤维及其高导热炭/炭复合材料的制备研究

摘要

随着科学技术的不断发展，各种高新技术行业对散热材料的要求越来越高，传统的导热材料已经无法满足日益增长的散热需求。沥青基炭纤维及其炭/炭(C/C)复合材料因具有轻质、高导热、高模量、低热胀等优点成为当前热管理领域的研究热点。　　炭材料的微观结构对其性能有着重要的影响，而沥青基炭纤维及其C/C复合材料的微观结构很大程度上又取决于原材料的性质。因此，本文研究了萘系中间相沥青分子结构对炭纤维结构和性能的影响，并进一步研究了炭纤维和基体炭对C/C复合材料结构和性能的影响。本文的主要研究内容如下：　　(1)分别以采用HF/BF3催化萘一步法制备的中间相沥青(AR-MP)和采用AlCl3催化萘两步法制备的中间相沥青(N-MP)为原料，制备了高性能炭纤维，研究了分子结构差异对其炭纤维结构和性能的影响。AR-MP呈现出半刚性的棒状分子结构，含有更多的环烷结构和甲基侧链，使得预氧化纤维的碳平面取向更好，石墨化纤维具有更好的取向度和更大的石墨微晶尺寸，纤维的热导率达到了716W/(m·K)。N-MP具有刚性的圆盘状的分子结构，芳香度高，使得预氧化纤维在热处理过程中分解量较少，从而有利于降低石墨化纤维中的缺陷，纤维的拉伸强度达到了3.47GPa。　　(2)采用商业化P25炭纤维、自制的HNU-1炭化纤维和HNU-2石墨化纤维分别作为增强体，通过化学气相渗透(CVI)和沥青浸渍(PIP)等工艺制备了三种一维C/C复合材料，研究了炭纤维对C/C复合材料结构和性能的影响。P25炭纤维的拉伸强度和石墨微晶尺寸较小，导致C/C复合材料的力学和导热性能较低；HNU-1炭化纤维在热处理过程中发生收缩和劈裂，在纤维与基体界面产生孔隙，从而降低了C/C复合材料的力学和导热性能；HNU-2石墨化纤维具有较大的石墨微晶尺寸且与基体炭结合紧密，C/C复合材料的轴向热导率和弯曲强度分别能够达到715W/(m·K)和190.2MPa。　　(3)采用低温炭化的沥青基炭纤维(X、Y轴方向)与高强度聚丙烯腈(PAN)基炭纤维(Z轴方向)编织成三维预制体，通过热压、中间相沥青浸渍(MPI)和煤沥青高压浸渍(IPI)等工艺制备了三维C/C复合材料，研究了炭纤维和基体炭对C/C复合材料结构和性能的影响。低温炭化纤维的强度较低，在热压的过程中发生断裂，减少了C/C复合材料的传热通道和受力载体，导致材料的导热和力学性能较差；预制体经过1000℃炭化后，C/C复合材料的连续性和致密性得到提升，二维平面内的热导率和弯曲强度分别达到了400W/(m·K)和90.4MPa。各向同性沥青炭中无序炭的含量较高，降低了C/C复合材料的导热性能；中间相沥青炭的石墨化程度较高，导致C/C复合材料石墨微晶的尺寸更大，二维平面内的热导率达到了362W/(m·K)。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 前言

1.2 C/C 复合材料

1.2.1 C/C 复合材料的性质及应用

1.2.2 高导热 C/C 复合材料

1.3 炭材料的导热性能

1.3.1 炭材料的导热机理

1.3.2 炭材料热导率与微观结构的关系

1.4 中间相沥青基炭纤维

1.4.1 中间相沥青基炭纤维的制备技术

1.4.2 沥青基炭纤维结构和性能的关系

1.5 基体炭的类型

1.5.1 树脂炭

1.5.2 热解炭

1.5.3 沥青炭

1.6 C/C 复合材料的制备工艺

1.6.1 预制体的成型

1.6.2 致密化工艺

1.6.3 石墨化处理

1.7 选题意义与研究内容

1.7.1 选题意义

1.7.2 研究内容

第 2 章 实验

2.1 实验材料及试剂

2.2 实验仪器及设备

2.3 实验方法

2.3.1 萘系中间相沥青基炭纤维的制备

2.3.2 一维 C/C 复合材料的制备

2.3.3 三维 C/C 复合材料的制备

2.4 测试及表征

2.4.1 材料物理性能测试

2.4.2 材料组成和结构分析

第 3 章 萘系中间相沥青基炭纤维的制备研究

3.1 前言

3.2 实验

3.2.1 原料

3.2.2 萘系中间相沥青炭纤维的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 萘系中间相沥青的基本性能

3.3.2 萘系中间相沥青的分子结构解析

3.3.3 萘系中间相沥青的热分析

3.3.4 萘系中间相沥青原丝的预氧化分析

3.3.5 萘系中间相沥青及其纤维的 XRD 分析

3.3.6 萘系中间相沥青石墨化纤维的结构和性能

3.4 本章小结

第 4 章 一维高导热 C/C 复合材料的制备研究

4.1 前言

4.2 实验

4.2.1 原料

4.2.2 一维 C/C 复合材料的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 中间相沥青基炭纤维的性能与形貌

4.3.2 一维 C/C 复合材料的微观结构

4.3.3 一维 C/C 复合材料增强体的拉曼光谱分析

4.3.4 一维 C/C 复合材料的 XRD 分析

4.4.5 一维 C/C 复合材料的导热性能

4.3.6 一维 C/C 复合材料的力学性能

4.4 本章小结

第 5 章 三维高导热 C/C 复合材料的制备研究

5.1 前言

5.2 实验

5.2.1 原料

5.2.2 三维 C/C 复合材料的制备

5.3 结果与讨论

5.3.1 炭纤维对三维 C/C 复合材料性能的影响

5.3.2 基体炭对三维C/C复合材料导热性能的影响

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读硕士学位期间发表的学术论文