抗氧化高导热碳纤维/碳化硅复合材料研究
随着科学技术的高速发展，研发高效热传导和散热材料成为了热管理领域的关键性问题。碳复合材料因其轻质、高导热、高强度、耐高温、抗化学腐蚀等优异性能而成为一种理想的热管理材料，目前已广泛应用于航空航天、军事工业等领域。然而，碳材料在高温氧化性气氛下极易被氧化。若无有效的抗氧化措施，在高温有氧环境中长时间使用高导热碳材料必将引起灾难性后果。因此，兼具高导热和抗氧化性能的新型复合材料在热管理领域具有广阔的应用前景。
碳纤维/碳化硅复合材料(CF/SiC)是一种具有耐高温、低密度、高比强度、抗氧化、抗烧蚀以及热辐射率高等众多优异性能的新型复合材料，在现代航空航天领域有着广泛的应用。但是CF/SiC结构各向异性，界面结合强度低，因此CF/SiC沿厚度方向的导热率(k^)很低，严重限制了CF/SiC的应用。因此，提高CF与SiC的界面结合强度并在厚度方向建立导热通道对扩大CF/SiC在热管理领域中的应用具有重要意义。
图1. 碳纳米管阵列-碳纤维/碳化硅(VACNT-CF/SiC)复合材料结构示意图
近年来，天津大学材料科学与工程学院封伟教授课题组在碳纳米复合材料的微观结构调控和力热性能优化方面取得了一系列研究成果。近日，该课题组硕士研究生陈松超等人利用化学气相沉积法(CVD)在二维CF编织体表面生长出了阵列碳纳米管(VACNT)，形成了VACNT-CF复合结构。将8层VACNT-CF堆叠成块后采用先驱体浸渍裂解法(PIP)制备出了具有三维层级结构的碳纳米管阵列-碳纤维/碳化硅(VACNT-CF/SiC)复合材料。研究表明，与CF/SiC 相比，VACNT-CF/SiC的致密化程度高，CF与SiC基体界面结合紧密，界面缺陷少，所以具有更好的抗氧化性能以及更低的界面热阻。得益于由VACNT建立的导热通道以及致密的结构，VACNT-CF/SiC的k^可达16.80 W/(m·K)，比CF/SiC高117.06%。此外，VACNT-CF/SiC的弯曲强度和压缩强度分别为248.62 MPa和416.20 MPa，比CF/SiC的弯曲强度和压缩强度分别提高了14.75%和 30.74%。兼具高抗氧化性能、高导热率、高强度的VACNT-CF/SiC有望作为一种新型导热复合材料应用于航空航天、军事工业等高科技领域中。
图2. 不同温度下VACNT-CF/SiC、ECNT-CF/SiC和CF/SiC沿厚度方向的(a)热扩散系数以及(b)导热率
目前，相关成果已发表在碳材料领域Top期刊Carbon上。(DOI:10.1016/j.carbon.2017.01.103)
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