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C复合材料导热性能的影响

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收稿日期:2007-05-21;修回日期:2007-09-26基金项目复合材料导热机制及设计(6B 6)作者简介陈洁,8年出生,博士研究生,主要从事高性能复合材料的研究不同基体碳对单向C /C 复合材料导热性能的影响陈　洁 熊　翔 肖　鹏(中南大学粉末冶金研究院国家重点实验室,长沙　410083)文　摘　研究了不同基体碳结构对C /C 复合材料导热性能的影响。

结果表明:树脂碳与光滑层热解碳相比,树脂碳与碳纤维C 2结合紧密,热处理过程中应力石墨化明显,而光滑层热解碳与碳纤维C 2结合疏松,存在明显的界面裂纹,热处理过程中应力石墨化不明显。

随着热处理温度的升高,树脂碳基体更有利于材料的热传导。

关键词　C /C 复合材料,导热性能,基体碳Effect of Carbon Matrix on Ther mal Pr operty of Unidir ecti onal C /C CompositeChen J ie Xi o ng Xiang Xiao Peng(State KeyLabora t ory of Po wde r Me t a llurgy,Central South Universit y,Changs ha 410083)Abstra ct The effec ts of different carbon ma trixes on ther m al p r operty were inve stigated ba sed on the m echanis m of ther m al conductivity in C /C c omposite .The results show that,as f or r esin carbon m atrix and S L pyr oca r bon m atrix,resin carbon ma trix has close c onnecti onw ith ca r bon fiber,and takes on we ll stress 2gr aphitization effect .However,S L py 2r ocar bon m atrix has loose c onnection with car bon fiber,and the stress 2gr aphitizati on effec t is not evident .W ith the in 2c r ease of te mperatur e,r esin carbon matrix beco m esmore beneficail t o heat conducti on compared w ith S L pyr ocarbon m a 2trix .Key words C /C c omposite,Ther m al p r operty,Carbon matrix 0　前言随着我国航天技术的不断发展,对航天用抗烧蚀及防热材料的性能要求越来越高。

高功率密度电子器件、核聚变装置用面对等离子体材料在运行过程中会产生和积累大量的热量[1～3],为保证设备稳态运行,需将产生的热量及时导出,因而对材料的导热性能提出很高要求[4～5]。

C /C 复合材料以其高温强度高、线胀系数小及热导率高等一系列优异性能,被认为是一种最有发展前途的新型耐高温结构材料,并已广泛应用于航天航空等领域[6～7]。

基体碳的种类及结构对C /C 复合材料的导热性能影响很大。

本文研究了树脂碳基体和光滑层热解炭基体C /C 复合材料的导热性能,分析了基体碳结构对C /C 复合材料导热性能的影响机理。

1　实验1.1　试样制备在自制石墨夹具内叠层无纬布(T300,12K ),得到纤维体积分数为31%的单向长纤维预制体(C 0,C 2)。

将C 2进行化学气相渗透(C V I )增密,在C V I 炉中,以丙烯为主要碳源气,900℃以上沉积至样品最终密度为1.68g/c m 3左右;C 0采用呋喃树脂浸渍-炭化工艺同样增密至1.68g/c m 3。

最后两样品分别经2000、2300、2500℃最终石墨化处理。

文中用C X -YY YY 代表不同温度处理的样品,其中C X 代表样品,YY Y Y 代表热处理温度,如C 0-2000表示经过2000℃石墨化后的C 0样品。

1.2　显微结构分析以环氧树脂为主要镶嵌料,样件镶样后在MEF3A 金相显微镜下观察。

1.3　石墨化度的测量石墨化度是根据F r anklin 模式,由Mering 和Maire 公式计算[8],其简化形式为:g =(0.3440-d 002)/(0.3440-0.3354)式中,g 为石墨化度,d 002=λ/2sin θ,d 002为(002)面的层间距,λ为入射X 射线波长,θ为衍射角。

0.3440:C /C 200C 00907:197C /Cnm为完全未石墨化碳的层间距,0.3354nm为理想晶体的层间距。

平均微晶尺寸L c(002)由Scherrer公式计算:L c(002)=λ/B cosθ式中,B为衍射峰半高宽。

XRD测量在日本R igaku-3014型X射线衍射光谱仪上进行。

采用粉末试样,Si作内标,Cu Kα1单色光辐射、管电压35kV、电流20mA,2θ取值范围22°～29°、间隔0.02°/步、速度0.5步/s。

1.4　热导率的测量采用脉冲激光闪光法测量热扩散率,根据以下公式计算热导率[9]:λ=418.68aCpd式中:a为热扩散率,C p为比热容[室温下通常取C p=01171J/(g K)];d为表观密度。

热扩散率测量在JR1型热物性综合测试仪上进行。

样品尺寸:Φ10mm×4mm,平行和垂直纤维方向取样。

2　结果与分析2.1　测试结果C0和C2样品纤维种类、含量、排布、最终密度及石墨化工艺均相同,只是基体碳不同,C0为纯树脂碳基体,C2为纯热解炭基体。

由表1可知,C的孔隙率小于C2,两样品石墨化度都随热处理温度的升高而增大,且C0的增长幅度大于C2。

热处理温度较低时,C-2000、C2-2000两样品垂直和平行纤维方向的热导率差别不大,随着热处理温度的提高,样品两方向的热导率均增加,C-2500的热导率已大大高于C2-2500的,且C0的热导率随温度的增长幅度明显大于C2的。

表1　材料测试性能Ta b.1　Pr oper t i e s of s am p les样品纤维体积分数/%密度/g cm-3开孔率/%石墨化度/%2000℃2300℃2500℃热导率/W(m K)-12000℃2300℃2500℃C031 1.68 6.52565.679.4⊥//4.252.9213.83151.5517.56190.41C231 1.687.81929.943⊥//4.6944.57.2182.7610.41120.062.2　结果分析2.2.1　显微结构图1为C0、C2样品2000、2500℃热处理后的偏光金相照片。

(a)　C0-2000 ()　(c)　C0-2500(d)　C2-2500图1　材料不同温度石墨化后的偏光金相照片Fig.1　P LM m ic r ographs of co mposites afte r HT T由图()可知,材料中,树脂碳与碳纤维结合紧密,基体中孔隙较少,存在少量的层间裂纹;由图b C2-20001a C1(b)可知,C2材料基体中存在较多的孔隙和微观裂纹,无明显层间裂纹。

其中所沉积的热解碳,其表面光滑,呈现出明显的十字消光条纹,细节很少,且环绕碳纤维存在明显的同心圆裂纹,符合S L的结构特征[10],为光滑层热解碳。

对于C0样品,树脂在炭化时收缩较大[11],因此较容易在纤维间距较大的无纬布层间产生少量裂纹。

对于C2样品,只有丙烯气体能顺利到达各个孔隙,并在孔壁上沉积下来,才能达到增密的效果。

根据孔隙尺寸与分子运动平均自由程的相对大小,气体在多孔介质内的扩散传输分为3种方式:Fick扩散、Knud2 Sen扩散以及过渡扩散[12～13]。

Fick扩散在孔径尺寸比平均自由程大得多时起控制作用;Knud2Sen扩散在孔径尺寸远小于平均自由程时起控制作用;当孔径与平均自由程的关系介于上述两种扩散之间,属过渡扩散,孔径越大受Fick扩散的影响也越大。

F ick扩散的有效扩散系数要远大于K nudsen扩散,对气体的传输十分有利。

经计算在实验条件下丙烯的分子运动平均自由程为10μm左右,而样品的层内纤维间距经计算约为4μm左右,因此层内扩散主要受K nud2Sen 扩散影响,有效扩散系数很小,扩散十分缓慢,沉积效率低,易形成闭孔。

而层间纤维距约100μm左右,在过渡扩散范围,Fick扩散有较大的控制作用,有效扩散系数相对较大,气体传输阻力小,附近区域可以得到较好的致密化。

因此形成了如图1(b)的显微结构,层间致密,大量孔隙存在于基体内。

与图1(a)、(b)对比,C-2500碳纤维周围的树脂碳呈现出较强的光学活性,且距碳纤维较远的大块树脂碳也显示出一定的光学特征。

这是由于高温热处理过程中碳纤维C2与树脂碳的热收缩率不同[14],在其界面产生了一定的热应力,且树脂碳与碳纤维C2结合较紧密,因此该热应力的存在有效促进了纤维周围树脂碳石墨化过程碳原子沿纤维轴向的有序排列,即应力石墨化[15],因而纤维周围的基体碳显示出一定的光学活性。

随着热处理温度的提高,C样品中除了树脂碳基体和碳纤维本身石墨化度的提高外,由于纤维和树脂碳界面应力的存在,还存在较强的额外石墨化———应力石墨化,且热处理温度越高,应力石墨化越明显,因此C0样品石墨化度显著提高。

而C2样品两温度下的偏光照片基本无差别,即C2样品的应力石墨化并不明显。

这是由于:一方面光滑层热解炭本身各向同性度较高,可石墨化能力不强;另一方面,光滑层热解炭与碳纤维界面结合较弱,存在明显界面裂纹,因此该材料中的界面应力石墨化不明显。

所以随着热处理温度的提高,C2样品的石墨化提高程度远小于C样品(表1)。

2.2.2　热导率对于C/C复合材料,碳原子的晶格震动是材料热传导的基础。

根据量子理论,材料中的导热可看成是声子以弹性波的形式进行传播。

即C/C复合材料中的热传导是声子相互作用的结果,根据Debby公式, C/C复合材料的热导率可表示为:λ=13CυL(1)式中,λ为热导率,C为热容,υ为声子的速度,L为声子平均自由程。

室温下碳/石墨材料热导率主要由L 的大小决定,L取决于声子的碰撞和散射,与材料微晶尺寸差不多成正比[16]。

声子在C/C复合材料中的作用方式分为两种:(1)声子与声子的相互作用;(2)声子与缺陷、界面的相互作用。

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SiC复合材料的性能研究

SiC复合材料的性能研究

关键词线性低密度聚乙烯，碳化硅，热导率，介电常数，粉末混合
Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅｎｎａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉＶｅ ＬＬＤＰＥ／ＳｉＣ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐｌａｓｔｉｃｓ
Ｒｅｎ Ｆａｎｇ Ｒｅｎ Ｐｅｎｇｇａｎｇ Ｄｉ Ｙｉｎｇｙｉｎｇ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ ａｎｄ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００４８）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐｌａｓｔｉｃｓ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ａ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｍｉｘｔｕｒｅ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ（ＳｉＣ） ａｎｄ １ｉｎｅａｒ １０ｗ—ｄｅｎｓｉｔｙ ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ（ＬＩ上）ＰＥ）ｂｙ ａ ｐｏｗｄｅｒ ｍｉ如ｎｇ ａｎｄ ｈｏｔ ｐｒｅｓｓ ｍ０１ｄｉｎ舀 Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ＆Ｃ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ
力学性能的影响。
１ 实验部分
１．１原料 ＬＩ。ＤＰＥ：ｓＲ６４６，韩国现代公司，ＭＩ ４～５９／ｌｏｍｉｎ，密度
ｏ．９３９／ｃｍ３；ｓｉｃ粒子：绿色粉末，密度２．２７９／ｃｍ３，平均粒径分 ｊ｜；Ⅱ为４ｐｍ（深圳微纳超细材料有限公司）、１３ｐｍ、２ｌ肛１（广州海 达超细材料有限公司）；无水乙醇：分析纯；抗氧剂：Ｂ２１５，北京 加成助剂研究所；分散剂：ＰＥ腊，４型粉状，北京化工大学精细 化工厂；钛酸酯：１０２型，南京曙光化工有限公司。
ｔｈｅ ｓｉｚｃ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｖｏｌｕｍｅ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ，ｄｉｅｌｅｃｔ“ｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ ａｎｄ ｍｅｃｈａｍｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓⅥ陀ｒｅ ｉｎ— ｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅＨｌｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ＳｉＣ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔｈｅ ｔｈｅｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｃｌｅｃｔ ｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｏｆ ｔｈｅ
炭_炭复合材料导热系数影响因素的研究 于澍

炭_炭复合材料导热系数影响因素的研究 于澍


・ 1*V ・
稀有金属材料与工程
01 卷
发生，纤维取向对炭 ! 炭复合材料的导热系数影响很 大。毛坯不同编织方式及纤维增强的方向与炭 ! 炭复 和 合材料的导热系数密切相关。我们以薄毡叠层 （ "） 在 ! 向 针刺 整体 毡 （ 制 成的 毛 坯件 ，在 $%& 炉 #） 中，以丙烯为炭源气， ’(() 以上沉积至最终密度为 *+ ,* - ! ./0 ， 经 1 0(() 热 处 理 后 ， 测 试 其 导 热 系 数，结果见表 *。
炭纤维增强复合材料不仅具有高比强、 高比模等 突出的结构材料特征， 而且其优良的摩擦磨损及热物 理性能， 能够很好地满足高速喷气飞机对刹车材料的 要求。炭 & 炭复合材料已成为新一代航空材料的发展 方向。航空刹车用炭 & 炭复合材料在显微结构上是 " 种多相非均质混合物，这种材料的力学性能、摩擦磨 损性能及热物理性能与材料的微观结构密切相关。 而 作为 " 种摩擦制动材料，炭 & 炭复合材料的热性能是 至关重要的。 材料在制动过程中必须具有吸收和传递 走大量热量，保证不熔化刹车装置的能力，从而延长 刹车副的使用寿命。 这种能力要比材料的摩擦性能更 重要。 因此， 炭 & 炭复合材料高的热焓和好的导热系数 是用于航空刹车时第一重要的性能 6 " 8 。本试验通过对 炭 & 炭复合材料导热性能的测试，研究了不同纤维取 向、不同热处理温度以及不同 ’() 热解炭的微观结 构对炭 & 炭复合材料导热性能的影响。
表6 #$%&’ 6
不同微观结构的热解炭对导热系数的影响 #(’ ’))’*+, -) ;5.-&5+0* *$.%-/1, <0*.-,+.3*+.3’ -/ (’$+ *-/23*+040+5
炭炭复合材料_热导率_测定_概述及解释说明

炭炭复合材料_热导率_测定_概述及解释说明

炭炭复合材料热导率测定概述及解释说明1. 引言1.1 概述：炭炭复合材料是一种具有特殊结构和性能的材料，在热导率方面具有重要应用价值。

热导率是指材料传导热量的能力，它在许多领域中起着关键作用，例如电子器件散热、节能建筑等。

因此，了解炭炭复合材料的热导率及其测定方法对于进一步探索其性能和应用具有重要意义。

1.2 文章结构：本文将从几个方面对炭炭复合材料的热导率进行概述和解释说明。

首先，我们将介绍炭炭复合材料的定义和特点，包括其组成成分、微观结构及物理性质等方面。

其次，我们将详细探讨制备方法，包括碳化工艺、压制工艺等，并对各种方法进行比较和分析。

接着, 将介绍该材料在不同领域的应用情况，并阐述其优势和潜在问题。

然后，我们将给出关于测定方法的概述，包括测量原理、实验装置以及数据处理方法等内容。

1.3 目的：本文的目的是全面概述和解释炭炭复合材料的热导率及其测定方法，以促进人们对该特殊材料性能的深入了解。

通过本文的阐述，读者可以更好地理解炭炭复合材料的制备工艺、特性以及应用领域，并掌握相关测定方法。

此外，我们也希望能够为未来在该领域的进一步研究提供一些有益的启示和展望。

以上便是文章“1. 引言”部分内容撰写完毕。

2. 炭炭复合材料2.1 定义和特点炭炭复合材料是由炭素和石墨颗粒等碳质材料组成的复合材料。

它具有优异的导电性、高温稳定性、耐腐蚀性和机械强度，在多个领域都有广泛的应用。

2.2 制备方法炭炭复合材料的制备方法主要包括浸渍法、化学气相沉积法和压力过滤法等。

其中，浸渍法是最常用的方法之一。

该方法首先制备出具有良好孔隙结构的碳棉基体，然后通过浸渍方式将聚合物树脂或沥青渗透到碳棉中，最后经过高温热解处理得到了炭炭复合材料。

2.3 应用领域由于其导电性能好且能耐受高温环境，在航空航天、电子器件、汽车工业以及能源领域等都有广泛应用。

在航空航天领域，炭炭复合材料被广泛应用于导电件和隔热部件；在电子器件中，它可以用作散热材料，提高器件的散热效果；在汽车工业中，炭炭复合材料被应用于制动系统和发动机零部件等高温高压环境下的部件；而在能源领域，炭炭复合材料可用于核电站中的导热管道和隔热元件。

碳碳复合材料热容-概述说明以及解释

碳碳复合材料热容-概述说明以及解释

碳碳复合材料热容-概述说明以及解释1.引言概述部分的内容可以按照以下方式来进行撰写：1.1 概述碳碳复合材料是一种由碳纤维和碳基基质构成的材料，具有轻量化、高强度、高温性能良好等优点，广泛应用于航空航天、汽车和电子等领域。

近年来，随着科技的不断发展，碳碳复合材料的热容性能逐渐受到人们的重视。

热容是指物质在吸收或释放热量过程中的温度变化能力，是评估材料热学性能的重要指标之一。

对于碳碳复合材料而言，其热容性能直接关系到其在高温环境下的稳定性和耐久性。

因此，研究碳碳复合材料的热容性能对于优化材料设计和提高材料性能具有重要的意义。

本文将对碳碳复合材料的热容性能进行全面的描述和分析。

首先，将介绍碳碳复合材料的定义和特点，包括其制备工艺、结构特征以及热学性能等方面的内容。

然后，将着重分析碳碳复合材料在高温环境下的热容性能，探讨其受热过程中温度变化规律以及热容值的计算方法。

最后，将总结热容性能对碳碳复合材料的重要性，并展望未来研究方向，以期为碳碳复合材料的制备和应用提供科学的依据和指导。

通过对碳碳复合材料热容性能的深入研究，可以对该材料的高温应用能力和性能进行更加准确的评估，并为其在未来的研究和应用中提供参考和指导。

同时，对于碳碳复合材料以及其他相关研究领域的学者和科研人员也具有一定的参考价值。

在研究过程中，我们将通过综合运用理论分析和实验验证相结合的方法，力求全面准确地揭示碳碳复合材料的热容性能，以期为相关领域的深入研究和应用提供一定的理论和实践指导。

文章结构部分的内容如下：1.2 文章结构本文主要通过以下几个方面对碳碳复合材料的热容进行探讨和分析。

首先，对碳碳复合材料的定义和特点进行介绍，以便读者能够对该材料有一个基本的了解。

其次，将重点关注碳碳复合材料的热容性能，探究其在热学方面的表现和应用。

最后，通过总结热容性能对碳碳复合材料的重要性，以及展望碳碳复合材料热容性能的未来研究方向，来对文章进行一个总结和展望。