碳纳米管增强一维高导热C/C复合材料的微观结构与物理性能
发布时间：2021-03-24 23:53
以中间相沥青基炭纤维和中间相沥青为主要原料,并添加一定量多壁碳纳米管,通过热压成型和高温热处理工艺制备一维高导热C/C复合材料。采用偏光显微镜、扫描电镜、激光热导仪、电子万能试验机等对复合材料的微观结构、导热性能和力学性能进行表征。结果表明,碳纳米管的添加导致复合材料的孔隙率下降和体积密度升高,而且对复合材料的力学性能及不同方向的导热性能都有显著影响。随着碳纳米管添加量的增加,复合材料沿炭纤维轴向的室温热扩散系数逐渐降低,而垂直于纤维轴向的抗弯强度和室温热扩散系数均呈现先上升后下降的趋势。经过2900℃石墨化处理后,添加体积分数3%碳纳米管的复合材料垂直于纤维轴向的抗弯强度为113.4 MPa、热扩散系数为40.1mm2/s,较未掺杂碳纳米管时分别提高了56%和79%。
【文章来源】：武汉科技大学学报. 2017,40(03)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１添加不同体积分数碳纳米管所制试样的体积密度随热处理温度的变化
结构。在图３（ｃ）和图３（ｄ）中可以观察到与图２中沿纤维轴向截面较为一致的形貌结构。由图３（ｃ）可见，纤维间沥青由于体积收缩不一致形成类似锯齿结构，且存在较多孔隙。与未添加碳纳米管样品相比，复合材料中添加一定量的碳纳米管后（图３（ｄ）），材料表面结构更加粗糙，部分区域被沥青炭完全包覆，无明显开裂现象，这些变化都会导致复合材料孔隙率下降、体积密度提高，进而对复合材料的物理性能产生较大影响。２．３添加碳纳米管对一维Ｃ／Ｃ复合材料导热性能的影响图４所示为添加不同体积分数碳纳米管所制一维Ｃ／Ｃ复合材料经２９００℃石墨化处理后沿纤维轴向及径向的室温热扩散系数变化情况。由图４可见，同一块样品沿纤维轴向的导热性能远远高于沿纤维径向的导热性能。对于未掺杂碳纳米管的一维Ｃ／Ｃ复合材料，其沿纤维轴向、径向的室温热扩散系数分别为６５０．５、２２．４ｍｍ２／ｓ，计算出相应的热导率分别为８００．１、２７．６Ｗ／（ｍ·Ｋ），轴向和径向的对应指标相差将近３０倍，而一般的一维Ｃ／Ｃ复合材料沿纤维轴向及径向上的导热性能相差仅１～２倍［１１－１２］，其原因与石墨化中图４添加不同体积分数碳纳米管所制试样沿纤维轴向和径向的热扩散系数Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｒｍａｌｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙａｌｏｎｇｆｉｂｅｒ’ｓａｘｉａｌａｎｄｒａｄｉａｌｄｉ－ｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙａｄｄｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｓｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ１９４
导热性能反而下降。在纤维轴向上，由于长纤维的连续性，复合材料传热所需跨越的相界很少，故基体的取向结构对复合材料沿纤维轴向的导热性能至关重要，而碳纳米管的添加扰乱了复合材料中纤维和沥青炭石墨化后的取向结构，导致材料基体中晶格的规整程度较差，最终表现出随碳纳米管添加量的增加复合材料沿纤维轴向热扩散系数逐渐下降的趋势。２．４添加碳纳米管对一维Ｃ／Ｃ复合材料抗弯性能的影响添加一定量的碳纳米管后，一维Ｃ／Ｃ复合材料的微观结构发生明显变化，其力学性能可能因此也有所变化。图５为添加不同体积分数碳纳米管所制复合材料经２９００℃石墨化处理后垂直于纤维轴向的载荷－位移曲线。由图５可知，未添加碳纳米管试样的抗弯强度约为７２．９ＭＰａ；随着复合材料中多壁碳纳米管含量的增加，其抗弯强度呈现出先升高后下降的趋势；当碳纳米管体积分数为３％时，复合材料的抗弯强度达到最大值（１１３．４ＭＰａ），较未添加碳纳米管试样提高了５６％，而当碳纳米管添加量继续增至５％时，复合材料的抗弯强度有所下降，原因可能是过量的碳纳米管极易团聚，分散性较差，在复合材料中形成应力集中和微裂纹，导致其力学性能的下降。总的来说，一定量碳纳米管的加入能有效提高一维Ｃ／Ｃ复合材料垂直于纤维长度方向的抗弯性能，这与添加碳纳米管能提高复合材料的体积密度并增强沥青炭与纤维间的界面结合性能有关。图５添加不同体积分数碳纳米管所制试样垂直纤维轴向的载荷－位移曲线Ｆｉｇ．５Ｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｔｏｆｉｂｅｒ’ｓａｘ－ｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅ
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纤维复合材料的发展及应用[J]. 张菡英,刘明. 工程塑料应用. 2015(11)
[2]一维高导热C/C复合材料的制备研究[J]. 林剑锋,袁观明,李轩科,董志军,张江,张中伟,王俊山. 无机材料学报. 2013(12)
[3]碳/碳复合材料导热性能的研究[J]. 赵建国,李克智,李贺军,李爱军,席琛. 航空学报. 2005(04)
[4]超级导热型沥青基碳纤维[J]. 贺福,杨永岗. 高科技纤维与应用. 2003(05)
[5]炭/炭复合材料导热系数影响因素的研究[J]. 于澍,刘根山,李溪滨,熊翔. 稀有金属材料与工程. 2003(03)
[6]碳纳米管的特性及其高性能的复合材料[J]. 陈卫祥,陈文录,徐铸德,刘宗建,涂江平,张孝彬,郭鹤桐. 复合材料学报. 2001(04)
博士论文
[1]ZrC/ZrB2有机前驱体的合成及其改性高导热C/C复合材料研究[D]. 张贤.武汉科技大学 2016
硕士论文
[1]中间相沥青的合成及性能研究[D]. 曾利红.武汉理工大学 2005
本文编号：3098626
【文章来源】：武汉科技大学学报. 2017,40(03)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１添加不同体积分数碳纳米管所制试样的体积密度随热处理温度的变化
结构。在图３（ｃ）和图３（ｄ）中可以观察到与图２中沿纤维轴向截面较为一致的形貌结构。由图３（ｃ）可见，纤维间沥青由于体积收缩不一致形成类似锯齿结构，且存在较多孔隙。与未添加碳纳米管样品相比，复合材料中添加一定量的碳纳米管后（图３（ｄ）），材料表面结构更加粗糙，部分区域被沥青炭完全包覆，无明显开裂现象，这些变化都会导致复合材料孔隙率下降、体积密度提高，进而对复合材料的物理性能产生较大影响。２．３添加碳纳米管对一维Ｃ／Ｃ复合材料导热性能的影响图４所示为添加不同体积分数碳纳米管所制一维Ｃ／Ｃ复合材料经２９００℃石墨化处理后沿纤维轴向及径向的室温热扩散系数变化情况。由图４可见，同一块样品沿纤维轴向的导热性能远远高于沿纤维径向的导热性能。对于未掺杂碳纳米管的一维Ｃ／Ｃ复合材料，其沿纤维轴向、径向的室温热扩散系数分别为６５０．５、２２．４ｍｍ２／ｓ，计算出相应的热导率分别为８００．１、２７．６Ｗ／（ｍ·Ｋ），轴向和径向的对应指标相差将近３０倍，而一般的一维Ｃ／Ｃ复合材料沿纤维轴向及径向上的导热性能相差仅１～２倍［１１－１２］，其原因与石墨化中图４添加不同体积分数碳纳米管所制试样沿纤维轴向和径向的热扩散系数Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｒｍａｌｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙａｌｏｎｇｆｉｂｅｒ’ｓａｘｉａｌａｎｄｒａｄｉａｌｄｉ－ｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙａｄｄｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｓｏｆｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ１９４
导热性能反而下降。在纤维轴向上，由于长纤维的连续性，复合材料传热所需跨越的相界很少，故基体的取向结构对复合材料沿纤维轴向的导热性能至关重要，而碳纳米管的添加扰乱了复合材料中纤维和沥青炭石墨化后的取向结构，导致材料基体中晶格的规整程度较差，最终表现出随碳纳米管添加量的增加复合材料沿纤维轴向热扩散系数逐渐下降的趋势。２．４添加碳纳米管对一维Ｃ／Ｃ复合材料抗弯性能的影响添加一定量的碳纳米管后，一维Ｃ／Ｃ复合材料的微观结构发生明显变化，其力学性能可能因此也有所变化。图５为添加不同体积分数碳纳米管所制复合材料经２９００℃石墨化处理后垂直于纤维轴向的载荷－位移曲线。由图５可知，未添加碳纳米管试样的抗弯强度约为７２．９ＭＰａ；随着复合材料中多壁碳纳米管含量的增加，其抗弯强度呈现出先升高后下降的趋势；当碳纳米管体积分数为３％时，复合材料的抗弯强度达到最大值（１１３．４ＭＰａ），较未添加碳纳米管试样提高了５６％，而当碳纳米管添加量继续增至５％时，复合材料的抗弯强度有所下降，原因可能是过量的碳纳米管极易团聚，分散性较差，在复合材料中形成应力集中和微裂纹，导致其力学性能的下降。总的来说，一定量碳纳米管的加入能有效提高一维Ｃ／Ｃ复合材料垂直于纤维长度方向的抗弯性能，这与添加碳纳米管能提高复合材料的体积密度并增强沥青炭与纤维间的界面结合性能有关。图５添加不同体积分数碳纳米管所制试样垂直纤维轴向的载荷－位移曲线Ｆｉｇ．５Ｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｔｏｆｉｂｅｒ’ｓａｘ－ｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅ
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳纤维复合材料的发展及应用[J]. 张菡英,刘明. 工程塑料应用. 2015(11)
[2]一维高导热C/C复合材料的制备研究[J]. 林剑锋,袁观明,李轩科,董志军,张江,张中伟,王俊山. 无机材料学报. 2013(12)
[3]碳/碳复合材料导热性能的研究[J]. 赵建国,李克智,李贺军,李爱军,席琛. 航空学报. 2005(04)
[4]超级导热型沥青基碳纤维[J]. 贺福,杨永岗. 高科技纤维与应用. 2003(05)
[5]炭/炭复合材料导热系数影响因素的研究[J]. 于澍,刘根山,李溪滨,熊翔. 稀有金属材料与工程. 2003(03)
[6]碳纳米管的特性及其高性能的复合材料[J]. 陈卫祥,陈文录,徐铸德,刘宗建,涂江平,张孝彬,郭鹤桐. 复合材料学报. 2001(04)
博士论文
[1]ZrC/ZrB2有机前驱体的合成及其改性高导热C/C复合材料研究[D]. 张贤.武汉科技大学 2016
硕士论文
[1]中间相沥青的合成及性能研究[D]. 曾利红.武汉理工大学 2005
本文编号：3098626
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