以中间相沥青为粘结剂的低密度高导热炭纤维网络体的制备与表征

随着电子器件的不断小型化和高密化,其服役时产生的大量热量需要及时的导出以保证器件的工作效率和寿命,因而研制高导热、低密度和耐腐蚀材料成为发展热管理材料的重要方向。本文以中间相沥青(MP)为粘结剂,采用浆料成型方法制备低密度高导热炭粘炭纤维网络体,并通过真空浸渍相变储能材料获得了高导热率的相变储能复合材料。系统的探索了该新型导热增强体的制备工艺并着重讨论了粘结剂和炭纤维热处理工艺对样品导热性能的影响规律。首先对实验室自制的沥青原丝纤维进行了不同预氧化温度和时间的预氧化处理,分析不同预氧化工艺对炭化纤维分散性的影响规律,并利用热重分析仪对沥青纤维进行模拟预氧化及炭化以分析纤维的氧化增重及炭收率差异。实验表明,纤维经250℃恒温150min及270℃恒温80min氧化后,由于前者氧化温度较低而后者时间较短,造成纤维炭化过程相互粘连,无法分散于乙醇溶液。而经290℃恒温150min氧化处理后,尽管纤维也能均匀分散于乙醇溶液,但此氧化工艺易造成纤维过度氧化。因此选定270℃恒温150min为本实验的纤维预氧化工艺。对预氧化纤维进行不同温度(500℃、700℃、900℃)的炭化处理以考察炭化工艺对炭纤维及其网络体性能的影响。实验结果表明,炭纤维的直径随着炭化温度的升高不断收缩。500℃炭化的纤维收缩率最小,为1.5%。通过扫描电镜对网络体的粘结情况进行观察发现,采用氧化纤维制备的网络体,纤维发生了弯曲变形,且纤维表面呈现出褶皱状包覆结构。而700℃和900℃热处理的炭纤维因直径及化学组成发生较大变化,与作为粘结剂的中间相沥青存在热膨胀系数和成分差异,粘结点处有明显开裂现象。而经500℃炭化的炭纤维能与粘结剂形成良好的粘结状态,因此炭纤维的最佳炭化温度为500℃。以中间相沥青为粘结剂,采用500℃低温炭化纤维经低压模压成型、炭化和石墨化处理获得炭粘炭纤维网络体。为考察粘结剂和粘结状态对网络体性能的影响,采用1300℃炭化纤维和使用酚醛树脂为粘结剂制备的样品进行对比研究。由于作为粘结剂的中间相沥青和低温炭化纤维共同经历后续炭化和石墨化处理,使其二者具备相近的热膨胀性能而呈现了良好的粘结性,并且高度取向的石墨片层在粘结处产生铆接效应,使得导热性能得到了明显提升。其制备的炭纤维网络体经石墨化后密度为0.317g/cm~3,,由此制备的相变储能复合材料面内热导率为19.30 W·m~(-1)·K~(-1),较纯相变材料(石蜡)提升了80倍。