高导热沥青基炭纤维的制备及其在三维炭_炭复合材料中的应用研究

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1、分类号学号２０１１２２６１７００３学校代码１０４８８密级博士学位论文高导热沥青基炭纤维的制备及其在三维炭／炭复合材料中的应用研究学位申请人：徐兵学科专业：化学工艺指导教师：李轩科教授答辩日期：２０１８年５月分类号学号201122617003学校代码10488密级博士学位论文高导热沥青基炭纤维的制备及其在三维炭/炭复合材料中的应用研究学位申请人：徐兵学科专业：化学工艺指导教师：李轩科教授答辩日期：2018年5月12日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeof

2、DoctorofPhilosophyinEngineeringPreparationofPitch-basedCarbonFiberswithHighThermalConductivityandTheirApplicationinThree-dimensionalCarbon/CarbonCompositesPh.D.Candidate：XuBingMajor：ChemicalTechnologySupervisor：Prof.LiXuankeWuhanUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430081,P.R.ChinaMay,2018武汉科技

3、大学研究生学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究所取得的成果。除了文中己经注明引用的内容或属合作研究共同完成的工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处一，本人承担切相关责任。论文作者签名＇：讀Ｍｉｌ，日期：叫研究生学位论文版权使用授权声明本论文的研宄成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门（按照

4、《武汉科技大学关于研宄生学位论文收录工作的规定》执行）送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行检索和对外服务。论文作者签名：你爹指导教师签名：日期：■－＿（？Ｉ摘要中间相沥青基炭纤维及其复合材料具有低密度、低热膨胀系数等特点，在导电导热和力学性能等方面表现特别优异，成为当今材料应用领域的佼佼者，在军事工业、民用领域等应用很有前景，中间相沥青基炭纤维的最终性能在很大程度上取决于其显微结构特征-石墨片层的取向和有序排列、石墨微晶参数和结构缺陷。而炭纤维的显微结构又与预氧化过程中的化学结构演变

5、和炭化石墨化过程中的晶体结构演变直接相关。因此，本文研究了中间相沥青纤维在预氧化过程中的化学结构演变、炭化和石墨化过程中的晶体结构演变，并探讨了最终炭纤维显微结构与其导电导热和力学性能的关联。此外，本文制备了基于中间相沥青基炭纤维的三维高导热C/C复合材料，并探讨了基体碳对其导热性能的影响。研究工作取得的主要结论如下：1、通过FT-IR、TG-MS、EDS等测试手段揭示了预氧化过程中纤维的化学结构变化及相应石墨纤维的显微结构演变。分析认为，氧的扩散和反应过程决定着沥青纤维预氧化的进程和均匀性。纤维截面的氧分布的均匀性和氧化程度是影响最终炭纤维的显微结构与性能的根本原因。沥青纤维经低温长时间氧化

6、，纤维的横截面结构均匀，径向氧分布梯度小；经高温短时间氧化，纤维易形成皮芯结构，径向氧分布梯度大。2、在炭化过程中，纤维中的沥青分子主要发生脱氢、脱氧反应，生成水、氢、甲烷、一氧化碳等小分子物质，最终形成层片状的石墨微晶结构。经过450℃低温炭化后，在500-1000℃的炭化温度范围内，炭化升温速率对最终石墨纤维的结构和性能影响不大，而为缩短炭化时间提供了一定的技术基础。3、研究发现所制得的沥青纤维优化的预氧化条件是在240ºC空气气氛氧化6h。炭化和石墨化主要影响预氧化纤维在后续高温热处理过程中石墨微晶的生长和发育及石墨片层的取向和有序堆叠。研究表明，沥青纤维经240ºC空气气氛氧化6h和4

7、50ºC低温炭化，再经3000ºC石墨化热处理所得石墨纤维拉伸强度和杨氏模量可分别达到2.54GPa和650GPa，热导率可达862.6W/m∙K。此外，牵伸对石I墨化纤维的力学性能和导热性能具有显著影响。经过牵伸后，2600℃石墨纤维的拉伸强度和杨氏模量分别提高了24.2%与11%，3000℃石墨纤维热导率由846W/m∙K提高到962.6W/m·K。4、基于中间相沥青基炭纤维的三维C/C复合材