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隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，研發(fā)高效熱傳導(dǎo)和散熱材料成為了熱管理領(lǐng)域的關(guān)鍵性問題。碳復(fù)合材料因其輕質(zhì)、高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕等優(yōu)異性能而成為一種理想的熱管理材料，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事工業(yè)等領(lǐng)域。然而，碳材料在高溫氧化性氣氛下極易被氧化。若無有效的抗氧化措施，在高溫有氧環(huán)境中長時間使用高導(dǎo)熱碳材料必將引起災(zāi)難性后果。因此，兼具高導(dǎo)熱和抗氧化性能的新型復(fù)合材料在熱管理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

碳纖維/碳化硅復(fù)合材料(CF/SiC)是一種具有耐高溫、低密度、高比強(qiáng)度、抗氧化、抗燒蝕以及熱輻射率高等眾多優(yōu)異性能的新型復(fù)合材料，在現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是CF/SiC結(jié)構(gòu)各向異性，界面結(jié)合強(qiáng)度低，因此CF/SiC沿厚度方向的導(dǎo)熱率(k_^)很低，嚴(yán)重限制了CF/SiC的應(yīng)用。因此，提高CF與SiC的界面結(jié)合強(qiáng)度并在厚度方向建立導(dǎo)熱通道對擴(kuò)大CF/SiC在熱管理領(lǐng)域中的應(yīng)用具有重要意義。

圖1. 碳納米管陣列-碳纖維/碳化硅(VACNT-CF/SiC)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖

近年來，天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院封偉教授課題組在碳納米復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控和力熱性能優(yōu)化方面取得了一系列研究成果。近日，該課題組碩士研究生陳松超等人利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)在二維CF編織體表面生長出了陣列碳納米管(VACNT)，形成了VACNT-CF復(fù)合結(jié)構(gòu)。將8層VACNT-CF堆疊成塊后采用先驅(qū)體浸漬裂解法(PIP)制備出了具有三維層級結(jié)構(gòu)的碳納米管陣列-碳纖維/碳化硅(VACNT-CF/SiC)復(fù)合材料。研究表明，與CF/SiC 相比，VACNT-CF/SiC的致密化程度高，CF與SiC基體界面結(jié)合緊密，界面缺陷少，所以具有更好的抗氧化性能以及更低的界面熱阻。得益于由VACNT建立的導(dǎo)熱通道以及致密的結(jié)構(gòu)，VACNT-CF/SiC的k_^可達(dá)16.80 W/(m?K)，比CF/SiC高117.06%。此外，VACNT-CF/SiC的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度分別為248.62 MPa和416.20 MPa，比CF/SiC的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度分別提高了14.75%和 30.74%。兼具高抗氧化性能、高導(dǎo)熱率、高強(qiáng)度的VACNT-CF/SiC有望作為一種新型導(dǎo)熱復(fù)合材料應(yīng)用于航空航天、軍事工業(yè)等高科技領(lǐng)域中。

圖2. 不同溫度下VACNT-CF/SiC、ECNT-CF/SiC和CF/SiC沿厚度方向的(a)熱擴(kuò)散系數(shù)以及(b)導(dǎo)熱率

目前，相關(guān)成果已發(fā)表在碳材料領(lǐng)域Top期刊Carbon上。(DOI:10.1016/j.carbon.2017.01.103)