电流诱导的热退火效应对碳材料导热性能影响的实验研究
发布时间：2021-03-30 09:22
如今的电子工业越来越向大功率、智能化及集成化方向发展,电子器件耗散功率急剧上升等一系列问题,使得兼具质轻、高导热导电性、高强度等诸多优势的碳材料在热管理材料领域具有良好的应用前景,但碳材料的高导热性被局限于纳米尺度上。目前市场上,宏观碳材料制品的导热性能良莠不齐。高温热处理被认为是一种可改善宏观碳材料制品导热性能一种有效方法,但高温热处理是如何影响碳材料的导热性能的。这两者之间的影响机制的探究,对理解和制备高导热宏观碳材料制品至关重要。本文利用瞬态电热技术（TET）和电流热退火方法,对聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）、碳纳米管导电薄膜（CNTB）、碳纳米管纤维（CNTF）和超薄石墨纸（GP）四种碳材料的有效热扩散系数(αeff)进行原位测量。研究了退火温度对上述四种碳材料导热性能的影响,并对电流热退火过程中的各种声子散射机制进行了分析总结;对电流热退火处理后的碳材料进行Raman表征,分析了电流热退火过程中,碳材料的微观结构演变;探究了电流热退火条件下,碳材料的微观结构、导热与导电性能之间的关联机制。主要实验结论如下:（1）对未经电流热退火处理的PAN-CF、CN...
【文章来源】：青岛理工大学山东省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)理想的石墨晶体结构[28,29]
青岛理工大学工学硕士学位论文4层石墨层卷曲形成的单壁碳纳米管。CNT具有良好的机械性能和储氢性能、优良的导体或半导体特性、优异的光学性质及导热性能等，被广泛应用在机械、储能、信息、光电、传感、材料增强体等方面[3]。而且由于CNT本身所特有的较长长径比圆柱面结构以及所拥有的sp2杂化，使得CNT具有比石墨更优异的机械强度和导热性能[33]。但由于管间范德华力较大和CNT相互缠绕的情况，CNT比较容易发生团聚现象[34]。图1.2单壁碳纳米管模型1.2.3石墨常见的石墨主要有天然石墨和人造石墨，与其他材料不同，石墨具有复合晶体结构，如图1.1石墨晶胞模型所示，晶胞在六角网平面上属于原子晶体，平面与平面之间属于分子晶体[35]。石墨制品因其具有高导热导电、耐腐蚀、低热膨胀系数、优异的机械性能及制备工艺简单、绿色经济等优势，在密封材料、散热装置、传感器、电池及超级电容器等方面有着广泛的应用。本文选用目前使用范围较为广泛，性价比较高的聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）、碳纳米管纤维（CNTF）、碳纳米管导电薄膜（CNTB）和超薄石墨纸（GP）来作为实验研究对象。1.3碳材料的导热机制1.3.1声子热输运热传递是由于存在空间温差而传递的热能。当介质或介质之间存在温差时，必须进行传热，物质在分子和原子水平上维持着这种传热模式。由于粒子之间的
青岛理工大学工学硕士学位论文10sample0+4024∑exp[22eff2]4∞=1将归一化平均温升定义为t0t→∞0，其理论表达式为：484∑2∞=1exp[22eff2]2由于直接测量样品的温升比较困难，我们可以通过TET测试技术间接得到样品的温升。样品被施加阶跃电流后，其温度变化引起电阻改变，进而导致电压变化。因此，样品的归一化温升的实验值exp可以通过电压的变化来表达：exp(sample0)∞0，其中0和∞分别是在TET测试中样品被加热前的初始电压和被加热后达到稳态时的电压。样品的V-t曲线被示波器记录，结合公式(2.1)，即得到样品的一系列热扩散系数，将一系列值代入表达式(2.2)中得到样品归一化温升的理论值，然后对和exp进行拟合，最终将拟合效果最好的那个值作为样品的有效热扩散系数eff，再结合样品的密度和比热容p，即可得到样品的有效导热系数eff，即effeff。图2.1.实验原理图
【参考文献】：
期刊论文
[1]温度对碳纳米管纤维/环氧树脂界面剪切强度的影响[J]. 马奇利,张翠霞,王晗,蒋瑾,吕卫帮. 上海大学学报(自然科学版). 2018(06)
[2]碳纤维石墨化技术研究进展[J]. 张政和,杨卫民,谭晶,李好义. 化工进展. 2019(03)
[3]聚丙烯腈基高模量碳纤维导热性能的影响因素[J]. 田艳红,乔伟静,张学军,张为芹. 材料导报. 2018(10)
[4]能源互联网背景下的新型碳材料在超级电容器储能技术中的应用与发展[J]. 孙凯,张希华,李斌,袁建军,李华东. 功能材料. 2018(02)
[5]生物质衍生碳材料的结构多样性及其在能量存储方面的应用（英文）[J]. 江丽丽,盛利志,范壮军. Science China Materials. 2018(02)
[6]摩擦用碳材料的研究进展[J]. 雷玥,李瑞珍,解惠贞. 炭素. 2017(04)
[7]低维碳材料[J]. 成会明. 科学观察. 2017(05)
[8]高温热处理碳纳米管活性实验研究[J]. 刁加加,常春蕊,张好强,张志明,孙红婵,安立宝. 南京理工大学学报. 2017(03)
[9]基于碳材料的有机复合相变材料导热增强研究进展[J]. 朱教群,宋轶,周卫兵,刘凤利. 储能科学与技术. 2017(02)
[10]基于碳材料的超级电容器电极材料的研究[J]. 李雪芹,常琳,赵慎龙,郝昌龙,陆晨光,朱以华,唐智勇. 物理化学学报. 2017(01)
博士论文
[1]基于碳纳米管阵列的界面接触传热强化方法研究[D]. 王苗.南京理工大学 2016
硕士论文
[1]纳米二氧化钛薄膜的制备及导热性能研究[D]. 陈然然.青岛理工大学 2018
[2]微纳石墨烯粉体导热性能的测量与研究[D]. 张文婵.青岛理工大学 2016
[3]柔性石墨膜的制备及其导热性能研究[D]. 刘荣跃.哈尔滨工业大学 2013
[4]拉曼光谱研究碳纤维的微观结构和性能[D]. 石彦平.东华大学 2011
[5]碳材料催化石墨化研究[D]. 张风英.湖南大学 2009
[6]高导热炭材料的微观结构对其导热性能影响的研究[D]. 王海旺.北京化工大学 2008
本文编号：3109282
【文章来源】：青岛理工大学山东省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)理想的石墨晶体结构[28,29]
青岛理工大学工学硕士学位论文4层石墨层卷曲形成的单壁碳纳米管。CNT具有良好的机械性能和储氢性能、优良的导体或半导体特性、优异的光学性质及导热性能等，被广泛应用在机械、储能、信息、光电、传感、材料增强体等方面[3]。而且由于CNT本身所特有的较长长径比圆柱面结构以及所拥有的sp2杂化，使得CNT具有比石墨更优异的机械强度和导热性能[33]。但由于管间范德华力较大和CNT相互缠绕的情况，CNT比较容易发生团聚现象[34]。图1.2单壁碳纳米管模型1.2.3石墨常见的石墨主要有天然石墨和人造石墨，与其他材料不同，石墨具有复合晶体结构，如图1.1石墨晶胞模型所示，晶胞在六角网平面上属于原子晶体，平面与平面之间属于分子晶体[35]。石墨制品因其具有高导热导电、耐腐蚀、低热膨胀系数、优异的机械性能及制备工艺简单、绿色经济等优势，在密封材料、散热装置、传感器、电池及超级电容器等方面有着广泛的应用。本文选用目前使用范围较为广泛，性价比较高的聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）、碳纳米管纤维（CNTF）、碳纳米管导电薄膜（CNTB）和超薄石墨纸（GP）来作为实验研究对象。1.3碳材料的导热机制1.3.1声子热输运热传递是由于存在空间温差而传递的热能。当介质或介质之间存在温差时，必须进行传热，物质在分子和原子水平上维持着这种传热模式。由于粒子之间的
青岛理工大学工学硕士学位论文10sample0+4024∑exp[22eff2]4∞=1将归一化平均温升定义为t0t→∞0，其理论表达式为：484∑2∞=1exp[22eff2]2由于直接测量样品的温升比较困难，我们可以通过TET测试技术间接得到样品的温升。样品被施加阶跃电流后，其温度变化引起电阻改变，进而导致电压变化。因此，样品的归一化温升的实验值exp可以通过电压的变化来表达：exp(sample0)∞0，其中0和∞分别是在TET测试中样品被加热前的初始电压和被加热后达到稳态时的电压。样品的V-t曲线被示波器记录，结合公式(2.1)，即得到样品的一系列热扩散系数，将一系列值代入表达式(2.2)中得到样品归一化温升的理论值，然后对和exp进行拟合，最终将拟合效果最好的那个值作为样品的有效热扩散系数eff，再结合样品的密度和比热容p，即可得到样品的有效导热系数eff，即effeff。图2.1.实验原理图
【参考文献】：
期刊论文
[1]温度对碳纳米管纤维/环氧树脂界面剪切强度的影响[J]. 马奇利,张翠霞,王晗,蒋瑾,吕卫帮. 上海大学学报(自然科学版). 2018(06)
[2]碳纤维石墨化技术研究进展[J]. 张政和,杨卫民,谭晶,李好义. 化工进展. 2019(03)
[3]聚丙烯腈基高模量碳纤维导热性能的影响因素[J]. 田艳红,乔伟静,张学军,张为芹. 材料导报. 2018(10)
[4]能源互联网背景下的新型碳材料在超级电容器储能技术中的应用与发展[J]. 孙凯,张希华,李斌,袁建军,李华东. 功能材料. 2018(02)
[5]生物质衍生碳材料的结构多样性及其在能量存储方面的应用（英文）[J]. 江丽丽,盛利志,范壮军. Science China Materials. 2018(02)
[6]摩擦用碳材料的研究进展[J]. 雷玥,李瑞珍,解惠贞. 炭素. 2017(04)
[7]低维碳材料[J]. 成会明. 科学观察. 2017(05)
[8]高温热处理碳纳米管活性实验研究[J]. 刁加加,常春蕊,张好强,张志明,孙红婵,安立宝. 南京理工大学学报. 2017(03)
[9]基于碳材料的有机复合相变材料导热增强研究进展[J]. 朱教群,宋轶,周卫兵,刘凤利. 储能科学与技术. 2017(02)
[10]基于碳材料的超级电容器电极材料的研究[J]. 李雪芹,常琳,赵慎龙,郝昌龙,陆晨光,朱以华,唐智勇. 物理化学学报. 2017(01)
博士论文
[1]基于碳纳米管阵列的界面接触传热强化方法研究[D]. 王苗.南京理工大学 2016
硕士论文
[1]纳米二氧化钛薄膜的制备及导热性能研究[D]. 陈然然.青岛理工大学 2018
[2]微纳石墨烯粉体导热性能的测量与研究[D]. 张文婵.青岛理工大学 2016
[3]柔性石墨膜的制备及其导热性能研究[D]. 刘荣跃.哈尔滨工业大学 2013
[4]拉曼光谱研究碳纤维的微观结构和性能[D]. 石彦平.东华大学 2011
[5]碳材料催化石墨化研究[D]. 张风英.湖南大学 2009
[6]高导热炭材料的微观结构对其导热性能影响的研究[D]. 王海旺.北京化工大学 2008
本文编号：3109282
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