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    抗氧化高導熱碳纖維/碳化硅復合材料研究
    2017-02-08  來源:中國聚合物網

    隨著科學技術的高速發展,研發高效熱傳導和散熱材料成為了熱管理領域的關鍵性問題。碳復合材料因其輕質、高導熱、高強度、耐高溫、抗化學腐蝕等優異性能而成為一種理想的熱管理材料,目前已廣泛應用于航空航天、軍事工業等領域。然而,碳材料在高溫氧化性氣氛下極易被氧化。若無有效的抗氧化措施,在高溫有氧環境中長時間使用高導熱碳材料必將引起災難性后果。因此,兼具高導熱和抗氧化性能的新型復合材料在熱管理領域具有廣闊的應用前景。

    碳纖維/碳化硅復合材料(CF/SiC)是一種具有耐高溫、低密度、高比強度、抗氧化、抗燒蝕以及熱輻射率高等眾多優異性能的新型復合材料,在現代航空航天領域有著廣泛的應用。但是CF/SiC結構各向異性,界面結合強度低,因此CF/SiC沿厚度方向的導熱率(k^)很低,嚴重限制了CF/SiC的應用。因此,提高CF與SiC的界面結合強度并在厚度方向建立導熱通道對擴大CF/SiC在熱管理領域中的應用具有重要意義。

     

    圖1. 碳納米管陣列-碳纖維/碳化硅(VACNT-CF/SiC)復合材料結構示意圖

    近年來,天津大學材料科學與工程學院封偉教授課題組在碳納米復合材料的微觀結構調控和力熱性能優化方面取得了一系列研究成果。近日,該課題組碩士研究生陳松超等人利用化學氣相沉積法(CVD)在二維CF編織體表面生長出了陣列碳納米管(VACNT),形成了VACNT-CF復合結構。將8層VACNT-CF堆疊成塊后采用先驅體浸漬裂解法(PIP)制備出了具有三維層級結構的碳納米管陣列-碳纖維/碳化硅(VACNT-CF/SiC)復合材料。研究表明,與CF/SiC 相比,VACNT-CF/SiC的致密化程度高,CF與SiC基體界面結合緊密,界面缺陷少,所以具有更好的抗氧化性能以及更低的界面熱阻。得益于由VACNT建立的導熱通道以及致密的結構,VACNT-CF/SiC的k^可達16.80 W/(m?K),比CF/SiC高117.06%。此外,VACNT-CF/SiC的彎曲強度和壓縮強度分別為248.62 MPa和416.20 MPa,比CF/SiC的彎曲強度和壓縮強度分別提高了14.75%和 30.74%。兼具高抗氧化性能、高導熱率、高強度的VACNT-CF/SiC有望作為一種新型導熱復合材料應用于航空航天、軍事工業等高科技領域中。

     

    2. 不同溫度下VACNT-CF/SiCECNT-CF/SiC和CF/SiC沿厚度方向的(a)熱擴散系數以及(b)導熱率

    目前,相關成果已發表在碳材料領域Top期刊Carbon上。(DOI:10.1016/j.carbon.2017.01.103)

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