C-C復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能研究.pdf

1、本文在大量實(shí)驗(yàn)研究和理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和制備了單向C/C復(fù)合材料，系統(tǒng)、深入的研究了C/C復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，及其與微觀組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并對(duì)一維和二維C/C復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了模擬和預(yù)測(cè)，為C/C復(fù)合材料的研究和熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了指南。
　　 1)以單向長(zhǎng)纖維預(yù)制體為研究對(duì)象，簡(jiǎn)化研究對(duì)象的影響因數(shù)，系統(tǒng)研究C/C復(fù)合材料主要結(jié)構(gòu)特征對(duì)其導(dǎo)熱率的影響規(guī)律，從以下幾個(gè)方面探討了C/C復(fù)合材料的微觀導(dǎo)熱機(jī)理：
　　 a

2、.討論了纖維含量對(duì)材料導(dǎo)熱性能的影響規(guī)律。
　　 b.討論了熱處理?xiàng)l件對(duì)材料導(dǎo)熱性能的影響規(guī)律。
　　 c.分析了C/C復(fù)合材料從室溫～800℃導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律及機(jī)理。
　　 d.從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，分別研究了熱解炭(光滑層、粗糙層)、樹脂炭、中間相瀝青炭基C/C復(fù)合材料導(dǎo)熱性能。
　　 e.通過對(duì)T700、T300、M40三種PAN基炭纖維進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)及性能分析，討論了不同類型炭纖維C/C復(fù)合材料的導(dǎo)熱性

3、能。
　　 2)立足于國內(nèi)可以獲得的炭纖維、基體炭原材料，合理優(yōu)化技術(shù)途徑以提高C/C復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性能。主要從炭纖維和基體炭的改性出發(fā)，研究炭纖維和基體炭?jī)?nèi)部石墨微晶結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制技術(shù)，以及纖維/基體界面熱阻的改善：
　　 a.硼酸對(duì)炭纖維改性預(yù)制體經(jīng)硼酸浸泡后分別進(jìn)行高溫預(yù)石墨化，利用硼的催化石墨化特性，改善炭纖維的可石墨化能力，提高炭纖維的微晶取向度，從而提高復(fù)合材料中增強(qiáng)體炭纖維的導(dǎo)熱性能。硼酸的催化作用同時(shí)還使

4、炭纖維表面狀態(tài)得到相應(yīng)改善，一方面在CVI過程中能增加纖維表面的活性點(diǎn)，促進(jìn)熱解炭的有序沉積；另一方面，調(diào)整了炭纖維與熱解炭的界面結(jié)合狀態(tài)，使近炭纖維處形成了明顯的過渡層結(jié)構(gòu)，減少界面熱阻的存在，從而提高復(fù)合材料基體炭和界面的導(dǎo)熱性能。經(jīng)硼酸改性后，平行纖維方向?qū)嵯禂?shù)提高1.2倍，垂直纖維方向的導(dǎo)熱系數(shù)提高了1.7倍。
　　 b、炭纖維表面生長(zhǎng)納米碳管改性一方面，利用炭纖維表面所生長(zhǎng)的納米碳管誘導(dǎo)CVI熱解炭在炭纖維表面的定向

5、沉積，提高基體熱解炭的微晶取向度，從而提高了基體的導(dǎo)熱性能；另一方面，炭纖維表面生長(zhǎng)納米碳管的存在，可大大改善了炭纖維與基體炭的結(jié)合狀態(tài)，從而減少復(fù)合材料中的界面熱阻；同時(shí)，特殊結(jié)構(gòu)納米碳管的存在本身也為界面提供了高效導(dǎo)熱通道。纖維表面生長(zhǎng)適量納米碳管后，平行纖維方向?qū)嵯禂?shù)提高1倍，垂直纖維方向的導(dǎo)熱系數(shù)提高了近4倍。
　　 c.基體中添加納米碳管在材料基體樹脂中添加多壁納米碳管，利用基體中存在的多壁納米碳管誘導(dǎo)樹脂在熱處理過

6、程的炭化、石墨化，提高基體的可石墨化能力，增大基體炭的微晶尺寸，從而提高整個(gè)C/C復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。樹脂中添加適量納米碳管后，平行纖維方向的導(dǎo)熱系數(shù)提高了約20％，垂直纖維方向的導(dǎo)熱系數(shù)提高了近1倍。
　　 3)根據(jù)基礎(chǔ)研究分析，建立了單向C/C復(fù)合材料的微觀導(dǎo)熱模型，對(duì)基體結(jié)構(gòu)中的孔隙、裂紋等缺陷進(jìn)行了具體的分析和歸類，充分考慮了孔隙、裂紋等缺陷等對(duì)材料垂直炭纖維方向?qū)嵯禂?shù)的影響，將復(fù)合材料的導(dǎo)熱與微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)模擬，