表面改性石墨膜增强C/C复合材料的制备和性能研究
作为一种低密度、高温力学性能优异的炭材料，C/C复合材料已在航空刹车片，火箭喷管等领域得到广泛应用。随着空间探索技术的快速发展，航空航天飞行器内部的诸多电子器件逐渐向轻质化、小型化和高性能化发展，它们在工作过程中会不可避免地产生过高的热量，并且飞行器穿越大气层时也会经历超高温的考验，这都对飞行器的热控散热系统提出了严峻的挑战，也对C/C复合材料的热传导性能提出了更高要求。 高导热石墨膜因具有较完整的晶体结构和极高的导热性能而被看作是一种极具潜力的导热复合材料增强体。然而石墨膜与基体之间较弱的结合力严重影响了复合材料的综合性能。本文首先通过高温空气刻蚀的方法在石墨膜的表面引入了一定程度的缺陷，随后采用浸渍-炭化工艺制备了石墨膜增强C/C复合材料，并研究了高温空气刻蚀对石墨膜及其C/C复合材料微观结构的影响。此外，本论文也详细探究了石墨膜含量对复合材料导热和力学性能的影响。获得的主要结论如下： 首先，在高温空气对石墨膜进行表面刻蚀处理的研究中发现：空气中的氧气会按照一定的方向选择性地对石墨烯片层进行刻蚀，并在石墨膜的表面引入大量的六角形凹坑状缺陷。同时氧气也会优先与晶界处的不稳定碳原子发生反应在石墨膜表面刻蚀出较多无序的长条状沟槽，并且在相同温度下刻蚀时间的提高会导致缺陷尺寸扩大。同时，研究也发现高温空气刻蚀不会向石墨膜中引入含氧官能团，但引入的缺陷会造成石墨膜结晶度的降低。当处理温度在700℃及以上时，石墨膜的电阻率会因为结构破坏严重而有所升高。 随后，使用未经过表面处理的石墨膜通过液相浸渍-炭化工艺制备了C/C复合材料。结果表明，具有化学惰性的石墨膜表面与炭基体之间无法形成有效的界面结合，界面处存在较多的孔隙。随着石墨膜含量由0%提高到45%，复合材料样品的密度逐渐衰减，最大弯曲强度明显下降，其断裂模式也由脆性断裂逐渐向韧性断裂发展。然而，相比于未添加石墨膜的复合材料，石墨膜添加量为45%的C/C复合材料的热导率提高了152%。红外热像图显示，未添加石墨膜的复合材料在传热时会发生热量在加热端堆积，无法进行有效传递的情况，并且加热端和冷端的温差较大。但添加石墨膜之后，复合材料的热传导性能提高，表面温度更为均匀，两端温差更小。 最后，应用650℃表面改性的石墨膜增强制备了C/C复合材料。结果表明，表面改性石墨膜可与炭基体之间形成有效的界面结合，这种结合主要源于沥青渗入石墨膜表面的缺陷中，并固化、炭化形成了数量较多的微型炭铆钉，这些铆钉有助于界面结合强度的提高。同时，复合材料界面的微观结构也显示改性石墨膜增强复合材料界面处的孔隙较小，且存在连续的炭基体界面层。在石墨膜含量相同的复合材料当中，使用在650℃经过90min表面处理的石墨膜所制备的复合材料的密度增加到1.42g/cm3，弯曲强度提升到了213.59MPa。此外，沥青炭铆钉还可作为热量传输的通道，降低层间的界面接触热阻，因此复合材料垂直方向上的热量传递效率也得到了一定提升。 综上所述，使用高温空气对石墨膜进行处理是一种方便快捷且较为有效的表面改性方式。该方法可以提高石墨膜的表面粗糙度以及石墨膜与炭基体之间的界面结合力，并进一步提升复合材料的宏观导热性能和力学性能，从而为高导热C/C复合材料进一步的探索与应用奠定基础。
石墨膜;表面改性;C/C复合材料;热导率;导热性能
北京化工大学
硕士
化学
马兆昆
2022
中文
TB332
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）