中间相沥青纤维制备高导热炭材料的研究.pdf

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1、万方数据第21卷第5期2006年9月无机材料学报JournMofInorganicMaterialsV01．21，No．5Sep．，2006文章编号：1000—324X(2006)05—1167-06中间相沥青纤维制备高导热炭材料的研究马兆昆1,2，史景利1，刘朗1，郭全贵1，翟更太1(1．中国科学院山西煤炭化学研究所炭材料重点实验室，太原030001；2．中国科学院研究生院，北京100049)摘要：利用中间相沥青纤维中沥青分子的高度择优取向和适度的热塑性热压制备高导热块体炭材料．对比研究了经不同氧化处理的带形及圆形中间相沥青纤维热压所得炭材料的传导性

2、及力学性能．结果表明。相对圆形纤维来说，由于带形中间相纤维具有更高的纤维轴向取向度和纤维之间更高的接触面积，故其热压所得材料具有更高的密度和传导性。经260。C氧化的带形纤维热压所得炭材料的密度、抗弯强度、电阻率及热导率分别达到了2．189／cm～、118．4MPa、1．13p12m和717W／m·K．关键词t中间相沥青纤维；不熔化；热压；高导热中图分类号：TB332文献标识码：A1引言航空航天、武器装备及高功率电子设备等仪器装备中电子器件的大规模集成化和高功率密度化，使其热流密度已经达到数百甚至上千W／cm2．传统意义上散热材料已经不能满足需要．炭及

3、石墨材料因具有高导热，低密度等优异性能，在上述领域具有广阔的应用前景【1～引．石墨材料是一种固体非金属材料，主要靠晶格之间的振动传递热量，因此石墨微晶越大、取向度越高或晶格缺陷越少，热导率越高．中间相沥青基炭纤维具有高度的择优取向和较少的晶格缺陷，热导率达到1120W／m．K【61．然而由于较高的石墨化温度(3000。C)使其制造成本较高，并且难以单独作为高导热材料使用．当这种高导热纤维作为高导热复合材料的增强体时，基体炭的加入将使复合材料的热导率降低．并且复合材料的制备工艺复杂，生产周期长，成本高n由美国Amoco公司研制的ThermalGraphT

4、M高导热板，是由圆形中间相沥青纤维压制的[6，引，并在3100。C石墨化处理而成．由于它少了中间相沥青纤维的炭化石墨化及与其他炭基体的复合工艺，从而使高导热块体炭材料的成本大为降低．然而关于ThermalGraph，IM高导热板的形成机理和影响因素却没有公开报道．另外，据Edie[9“12】等人考察，带形中间相沥青纤维沿纤维轴向比圆形纤维具有更高的取向度；并且带状中间相沥青炭纤维经2400。C石墨化处理后的热导率，与经30000C石墨化处理后的商业化圆形炭纤维相当，大大降低了收稿日期t2005—10-10，收到修改稿日期：2005-12—26基金项目t

5、国家自然科学重点基金(197899037)作者简介t马兆昆(1976-)，男，博士研究生．E-mail：mzkxyz@163．corn万方数据1168无机材料学报成本．本实验将通过熔融纺丝制备中间相沥青纤维；然后对其氧化后在一定温度压力下自成型，获得高导热炭材料．在其他条件不变的情况下，将对比带形与圆形中间相沥青纤维自成型材料性能的差异，以期寻找一种低成本制造高导热炭材料的新方法．2实验2．1原料实验所用中间相沥青原料为日本MitsubishiGasChemicalCompanyInc．产芳香基中间相沥青．其基本物理化学性能如表1．表1中间相沥青原料的

6、性能Table1Propertiesofmesophasepitch2．2材料制备中间相沥青用气压式熔融纺丝装置纺丝，圆形喷丝孔长为0．6mm，直径为0．2mm；矩形喷丝孔长为o．6mm，宽为o．9mm，高为o．1mm．纺丝温度为308。C，纺丝压力为1MPa，牵伸速度为400m／s．沥青纤维被放入玻璃不熔化炉中，将预热后的空气通入其中．不熔化炉的升温速率z在0—150。C，为oC／min；150一最终温度，为o．5。C／min；在最终温度恒温2h．对每克纤维的空气流量为0．03m3／h．不熔化纤维沿纤维轴向铺层于石墨模具内，放入热压炉内热压成型，压力

7、为20MPa，温度升至2800。C左右．样品取出后被切割，并用超声波在酒精中清洗20min．2．3性能测试纤维直径测试：在光学显微镜下测量30根中间相沥青纤维直径，其平均直径为15#m；并观察30根带形纤维截面，其平均宽度为27#m，平均高度为6#m．材料的体密度通过测量样品的表观尺寸、称重，然后计算得到．材料的抗弯强度采用三点法在深圳新三思公司产的TMT4303电子万能材料试验机上进行．电阻率在中国科学院山西煤炭化学研究所产GM—II型材料电阻率测定仪上进行．采用德国NETZSCHInstruments公司的LFA447Nanoflash，IM激光热

8、导仪测定材料的热导率．日本产JSM一35C型扫描电镜观察材料的断面特征．3结果和讨论中间相沥青