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高导热炭基功能材料
(CARBON MATRIX FUNCTION MATERIALS OF HIGH THERMAL CONDUCTIVITY)

  高导热炭基功能材料是指具有高热导率的炭材料,是能源、计算技术、通讯、电子、激光和空间科学等现代技术的基础。一般炭材料的常温热导率仅为70W/m·K~150W/m·K左右,而高导热炭基功能材料的常温热导率大于300W/m·K,有的甚至高达2000W/m·K左右。

材料的导热机理
 

固体中担负导热的物质(载流子)有电子、晶格振动(声子)、光子等。这些不同载流子的作用加起来决定了整个材料的热导率。对于非金属固体而言的炭材料,其导热机构主要是晶格振动。炭材料几乎都是以六角碳网平面的积层体为“微晶”的多晶体,它的结构及其微细组织的状态,极大地影响着炭材料的形态、物性等多种特征。

石墨微晶具有下述特征:(1) 几乎可完全看成是二维结构,是具有极端的层状结构;(2) 层平面内的碳原子之间保持牢固的键合;(3) 是原子量比较小的单体。 作为固体物质它们相当特殊,其晶格振动与一般物质有很大的不同。石墨晶格中存在的空洞、位错及其他晶格缺陷,以及晶粒大小都对声子传递热能有影响。材料的石墨化程度越高,晶格越完善,材料的热导率越高。

在理想的石墨晶体中层平面内的热导率和垂直该平面方向的热导率完全不同,由接近完整结晶的热分解石墨在层平面内的热导率可达2400W/m·K,而垂直于碳网平面的热导率仅为平行方向的1/400。

高导热炭基功能材料的研究进展:炭材料的种类和形状各式各样,其石墨微晶的大小以及取向,或者空间的形状及分布的不同,其热导率呈现很大的变化。聚丙烯睛基炭纤维(PAN-CF)工业化已有二十多年的历史,具有较为丰富的实际生产经验和相对较为完善的基础理论。炭纤维的趋向度和结晶度越高,其热导率就越高。目前报道热导率较高的PAN-CF是由美国Celanese公司生产的,室温下为175W/m·K。与PAN-CF相比较,沥青基炭纤维发展较缓慢。高性能沥青基炭纤维是由中间相沥青转化而成,液相固有分子的定向排列被保留下来,因此具有优良的传导性能。据报道美国Amoco公司生产的P130X沥青基炭纤维的热导率室温下可达1120W/m·K。气相生长炭纤维(VGCF)是通过独特生长机理而形成的具有高附加值的功能性炭纤维,它是目前为止所报道热导率最高的炭纤维。Heremans等学者制备出的VGCF室温下热导率可达1950W/m·K,尤其在160K时可达到最大值2500W/m·K。随着纳米技术的飞速发展,如今碳纳米管的制备技术也取得了长足的进步。碳纳米管是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米管状壳层结构,据测算长度大于10nm的碳纳米管的热导率大于2800W/m·K。

随着高导热炭纤维制备技术的提高,以此为基体所制备的炭/炭(C/C)复合材料的导热性能也有了长足的进步。美国现已制备出的C/C复合材料的一维、二维以及三维的热导率分别可达670W/m·K、460W/m·K和345W/m·K。T.M.Ting等学者采用液相沥青浸渍制备出的VGCF/C复合材料的热导率为910W/m·K。此外,国外采用掺杂工艺,通过添加钛粉所制备的掺杂石墨的热导率可达610W/m·K。国内中国科学院山西煤炭化学研究所在这方面也取得了很大的进步,目前采用热压工艺制备出了热导率为490W/m·K的掺杂石墨。

应用领域
 

由于炭材料具有耐高温、耐腐蚀、抗热振性好、优良的传导性能等其他材料所不可比拟的优良性能,因此高导热炭基功能材料已广泛运用航空、航天、核工业以及军工等领域。战略导弹在再入大气层过程中,弹头端部表面温度在3000K左右,驻点温度高达8000K以上,过载超过上百个大气压,在到达离地面12km以后,更会碰到各种天然或人为粒子云的冲刷,严重威胁其生存。战略导弹弹头的防热材料现在主要采用炭基复合材料。在原子能开发方面的核聚变第一壁材料也要求采用具有高导热以及耐热冲击性的炭基复合材料。航天飞行器的许多电子部件需要在40℃~60℃的环境温度下正常工作,为此仪器运行过程中产生的热量必须及时导出。目前采用的散热器主要是铝制材料,采用高导热炭基复合材料,可实现部件的小型化、装置轻量化、结构紧凑化和运行高效化。从上述可以看出高导热炭基功能材料是与高技术密切相关,是新一代军用武器装备非常重要的一种新材料,在现代工业、国防和高技术发展中具有重要的战略意义。

邱海鹏、刘朗

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