碳复合材料的微观结构调控及性能研究

未来微电子器件、航空航天和能源化工等领域对热管理材料提出了轻质、高导热和高强度等要求。Sp~2杂化的碳材料单元如碳纳米管、石墨烯、碳纤维和鳞片石墨等由于其规整的碳六元环结构而具有优异的导热性能。然而这些材料单元之间缺乏有效的交联,不能实现自支撑,难以直接用于热管理器件。通过可控复合将碳材料单元组装为宏观的碳复合材料,使其具有高力学强度和定向高导热性能,是制备高性能热管理材料的重要途径。不同碳材料单元具有多样的结构、力学和导热特性,结合不同的材料复合方法,可以制备具有不同结构的碳复合材料,通过材料结构的优化,可以获得具有高力学和导热性能的碳复合材料。本文将脆性的鳞片石墨通过插层、氧化制备兼具柔性和高结晶性的膨胀石墨、石墨薄片和石墨烯,以这些材料单元为主成分,通过其与自身、碳纤维和碳纳米管的可控复合,结合胶黏剂的浸渍及高温热压制备碳复合材料。本文主要研究了碳材料单元的特性(微观结构、导热和力学性能)和复合方法(化学气相沉积工艺、胶黏剂含量、热压温度和压力、热压方向等)对碳复合材料微观结构(均匀性、微观取向、晶体结构、界面结构、致密度等)的影响,总结了复合材料微观结构对其导热和力学性能的调控机理,进而归纳了碳复合材料的“复合方法-微观结构-导热性能”的一般规律。结果表明,碳复合材料的密度、微观取向、晶体质量和界面结构能够综合影响其导热性能,其中密度对复合材料的导热性能有决定性的影响,碳材料单元的微观取向是决定复合材料导热各向异性的关键因素,碳材料单元的晶体质量和界面结构分别决定碳复合材料导热性能的上限和下限。高导热碳复合材料的设计和制备关键在于构建高效的声子振动通道,进而降低界面声子散射,提高声子密度和平均自由程。通过碳纳米管的原位生长和导热网络的构建,石墨/碳纳米管阵列复合材料不仅保持了沿水平方向的高导热性能,在垂直方向的导热系数可达34.9 W/m K,比纯石墨层状复合材料提高了149.2%。