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FRP玻璃鋼復(fù)合材料論壇

標(biāo)題: 高導(dǎo)熱炭基功能材料 [打印本頁]

作者: frpseller 時(shí)間: 2011-5-26 16:09
標(biāo)題: 高導(dǎo)熱炭基功能材料
高導(dǎo)熱炭基功能材料
(CARBON MATRIX FUNCTION MATERIALS OF HIGH THERMAL CONDUCTIVITY)
　　高導(dǎo)熱炭基功能材料是指具有高熱導(dǎo)率的炭材料，是能源、計(jì)算技術(shù)、通訊、電子、激光和空間科學(xué)等現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)。一般炭材料的常溫?zé)釋?dǎo)率僅為 70W/m·K～150W/m·K左右，而高導(dǎo)熱炭基功能材料的常溫?zé)釋?dǎo)率大于300W/m·K，有的甚至高達(dá)2000W/m·K左右。
材料的導(dǎo)熱機(jī)理　
固體中擔(dān)負(fù)導(dǎo)熱的物質(zhì)（載流子）有電子、晶格振動(dòng)（聲子）、光子等。這些不同載流子的作用加起來決定了整個(gè)材料的熱導(dǎo)率。對(duì)于非金屬固體而言的炭材料，其導(dǎo)熱機(jī)構(gòu)主要是晶格振動(dòng)。炭材料幾乎都是以六角碳網(wǎng)平面的積層體為“微晶”的多晶體，它的結(jié)構(gòu)及其微細(xì)組織的狀態(tài)，極大地影響著炭材料的形態(tài)、物性等多種特征。
石墨微晶具有下述特征：(1) 幾乎可完全看成是二維結(jié)構(gòu)，是具有極端的層狀結(jié)構(gòu)；(2) 層平面內(nèi)的碳原子之間保持牢固的鍵合；(3) 是原子量比較小的單體。作為固體物質(zhì)它們相當(dāng)特殊，其晶格振動(dòng)與一般物質(zhì)有很大的不同。石墨晶格中存在的空洞、位錯(cuò)及其他晶格缺陷，以及晶粒大小都對(duì)聲子傳遞熱能有影響。材料的石墨化程度越高，晶格越完善，材料的熱導(dǎo)率越高。
在理想的石墨晶體中層平面內(nèi)的熱導(dǎo)率和垂直該平面方向的熱導(dǎo)率完全不同，由接近完整結(jié)晶的熱分解石墨在層平面內(nèi)的熱導(dǎo)率可達(dá)2400W/m·K，而垂直于碳網(wǎng)平面的熱導(dǎo)率僅為平行方向的1/400。
高導(dǎo)熱炭基功能材料的研究進(jìn)展：炭材料的種類和形狀各式各樣，其石墨微晶的大小以及取向，或者空間的形狀及分布的不同，其熱導(dǎo)率呈現(xiàn)很大的變化。聚丙烯睛基炭纖維（PAN-CF）工業(yè)化已有二十多年的歷史，具有較為豐富的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和相對(duì)較為完善的基礎(chǔ)理論。炭纖維的趨向度和結(jié)晶度越高，其熱導(dǎo)率就越高。目前報(bào)道熱導(dǎo)率較高的PAN-CF是由美國Celanese公司生產(chǎn)的，室溫下為175W/m·K。與PAN-CF相比較，瀝青基炭纖維發(fā)展較緩慢。高性能瀝青基炭纖維是由中間相瀝青轉(zhuǎn)化而成，液相固有分子的定向排列被保留下來，因此具有優(yōu)良的傳導(dǎo)性能。據(jù)報(bào)道美國Amoco公司生產(chǎn)的P130X瀝青基炭纖維的熱導(dǎo)率室溫下可達(dá)1120W/m·K。氣相生長(zhǎng)炭纖維（VGCF）是通過獨(dú)特生長(zhǎng)機(jī)理而形成的具有高附加值的功能性炭纖維，它是目前為止所報(bào)道熱導(dǎo)率最高的炭纖維。Heremans等學(xué)者制備出的VGCF室溫下熱導(dǎo)率可達(dá)1950W/m·K,尤其在160K時(shí)可達(dá)到最大值2500W/m·K。隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，如今碳納米管的制備技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。碳納米管是由單層或多層石墨片卷曲而成的無縫納米管狀殼層結(jié)構(gòu)，據(jù)測(cè)算長(zhǎng)度大于 10nm的碳納米管的熱導(dǎo)率大于2800W/m·K。
隨著高導(dǎo)熱炭纖維制備技術(shù)的提高，以此為基體所制備的炭/炭（C/C）復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。美國現(xiàn)已制備出的C/C復(fù)合材料的一維、二維以及三維的熱導(dǎo)率分別可達(dá)670W/m·K、460W/m·K和345W/m·K。T.M.Ting等學(xué)者采用液相瀝青浸漬制備出的VGCF/C復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為910W/m·K。此外，國外采用摻雜工藝，通過添加鈦粉所制備的摻雜石墨的熱導(dǎo)率可達(dá)610W/m·K。國內(nèi)中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所在這方面也取得了很大的進(jìn)步，目前采用熱壓工藝制備出了熱導(dǎo)率為490W/m·K的摻雜石墨。
　
應(yīng)用領(lǐng)域　

由于炭材料具有耐高溫、耐腐蝕、抗熱振性好、優(yōu)良的傳導(dǎo)性能等其他材料所不可比擬的優(yōu)良性能，因此高導(dǎo)熱炭基功能材料已廣泛運(yùn)用航空、航天、核工業(yè)以及軍工等領(lǐng)域。戰(zhàn)略導(dǎo)彈在再入大氣層過程中，彈頭端部表面溫度在3000K左右，駐點(diǎn)溫度高達(dá)8000K以上，過載超過上百個(gè)大氣壓，在到達(dá)離地面12km以后，更會(huì)碰到各種天然或人為粒子云的沖刷，嚴(yán)重威脅其生存。戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭的防熱材料現(xiàn)在主要采用炭基復(fù)合材料。在原子能開發(fā)方面的核聚變第一壁材料也要求采用具有高導(dǎo)熱以及耐熱沖擊性的炭基復(fù)合材料。航天飛行器的許多電子部件需要在40℃～60℃的環(huán)境溫度下正常工作，為此儀器運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量必須及時(shí)導(dǎo)出。目前采用的散熱器主要是鋁制材料，采用高導(dǎo)熱炭基復(fù)合材料，可實(shí)現(xiàn)部件的小型化、裝置輕量化、結(jié)構(gòu)緊湊化和運(yùn)行高效化。從上述可以看出高導(dǎo)熱炭基功能材料是與高技術(shù)密切相關(guān)，是新一代軍用武器裝備非常重要的一種新材料，在現(xiàn)代工業(yè)、國防和高技術(shù)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略意義。

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