摘要：利用液相浸渍/排布-铺层-热压制备工艺制备了高导热沥青基碳纤维/环氧树脂复合材料。研究了沥青基碳纤维种类、碳纤维排布方向、温度变化对碳纤维/环氧复合材料导热性能的影响。结果表明，制备的山西煤化所沥青基碳纤维/环氧复合材 料的导热系数达到了322W / (m·K

摘要

利用液相浸渍/排布-铺层-热压制备工艺制备了高导热沥青基碳纤维/环氧树脂复合材料。研究了沥青基碳纤维种类、碳纤维排布方向、温度变化对碳纤维/环氧复合材料导热性能的影响。结果表明，制备的山西煤化所沥青基碳纤维/环氧复合材 料的导热系数达到了322W / (m·K)，远高于常规碳纤维复合材料的导热系数。另外，碳纤维复合材料纤维轴向的导热系数远远高于垂直于纤维轴向的导热系数。温度对碳纤维复合材料也有一定的影响。研究结果将为碳纤维复合材料的制备和应用提供借鉴。

随着信息产业的快速发展，电子元器件的应用逐渐向着高功率、高集成化、高密度的方向发展，散热问题成为制约集成电路、大功率电子元器件、大功率照明器件、大功率电力机车、混合动力机车行业发展 的瓶颈。高分子复合材料由于具有质轻、耐化学腐蚀、易加工成型、电绝缘性能优异、力学及抗疲劳性能优良等优异的特点，逐渐取代传统的金属和陶瓷导热材料。

高分子复合材料导热通路模型包括三种，如图1所示。

在排列方向和热流传导方向相同的情况下，高导热填料连成一个整体后复合材料的导热系数最高，导热最为理想，即平行模型 ( Parallel Model) ; 而热流传导方向完全被聚合物基体所阻隔的情况，热传导效率最低，即串联模型 (Tandem Model) ; 而大多数情况下的研究主要集中在分散模型 ( Dispersion Model) 的研究，即争取在不影响材料综合性能的情况下，最大限度地让填料形成导热通路。造成复合材料很难达到较高的导热系数，原因包括 : 本体导热系数低、填料在聚合物中的分散性差和界面相容性差。即高导热填料要在高分子基体中形成一个分散均匀、形成连续网络、且界面相容性好的体系。

本文将采用液相浸渍-铺层-模压成型方法制备出具有平行模型结构的高导热的碳纤维/环氧树脂复合材料，特别是利用高导热沥青基碳纤维制备出高导热复合材料。采用两种高导热沥青基碳纤维，并将一种沥青基碳纤维和常规碳纤维T700杂化复合，以对比不同种类的沥青基碳纤维对碳纤维/环氧树脂复合材料导热性能的影响，同时研究纤维排布方向和温度对碳纤维/环氧树脂复合材料导热性能的影响，为碳纤维导热高分子材料的制备和应用提供一些建议。

1 实验部分

1.1 原材料

沥青基碳纤维1 : P-30，导热系数约为62W / (m· K) ，美国Cytec公司 ; 沥青基碳纤维2:导热系数约为540W/(m·K)，不连续，长度约为20cm，中国科学院山西煤炭化学研究所 ; 丙烯腈基碳纤维 : T700， 日本东丽公司 ; 环氧树脂 : AG-80，上海合成树脂研究所。

1.2 试样制备

1.2.1 沥青基碳纤维复合材料的制备

P-30/AG-80复合材料采用液相浸渍-排布-干燥

-铺层-热压的制备工艺方法制备。首先使用丙酮将AG-80树脂体系稀释为密度为1.0g/cm3的溶液，P-30碳纤维经过导向轴进入溶液浸渍 ; 然后在2m直径的滚筒 ( 先铺好一层脱模纸) 上进行均匀排布 ; 排布好碳纤维在室温下风干，盖上一层脱模纸，待用 ; 将干燥好的P-30根据模具尺寸进行裁剪，然后进行铺层，约5层1cm厚 ; 铺好的样品在热压机上进行加热加压固化，固化制度为80℃/1h+120℃/2h+120℃/2h。

试样压制成型后，加工成两种圆片状试样 ( Φ12.6mm，厚度1～2mm)，一种纤维轴向垂直于 圆面，一种纤维轴向平行于圆面，用于测试复合材料的导热系数。

1.2.2 山西沥青基碳纤维/AG-80复合材料的制备

在山西沥青基碳纤维/AG-80( 简称 : 山西纤维/AG-80) 复合材料的制作过程中，由于山西沥青基碳纤维不连续，无法进行连续化的液相浸渍排布，因此先在金属模板上排布，然后用刷胶的方式进行浸胶，即整个工艺过程为 : 模板排布-刷胶-铺层-热压。制备过程中同样要控制复合材料中的溶剂含量、空隙率和树脂含量。

1.2.3 混杂碳纤维复合材料的制备

采用混杂的方法将T700与山西纤维混杂制备混杂碳纤维复合材料，混杂层数比例为3∶2，具体过程为 : 将浸渍好树脂的T700/AG-80布 ( A ) 与山西纤维/AG-80布 ( B ) 按照A/B/A/B/A方式铺层，然后模压成型。制备过程中同样要控制复合材料中的溶剂含量、空隙率和树脂含量。

1.2.2和1.2.3制备的试样压制成型后，分别加工成圆片状试样 ( Φ12.6mm，厚度1～2mm ) ，纤维轴向垂直于圆面，用于测试复合材料的导热系数。

1.3 导热性能测试

用激光导热仪 (LFA 447，德国耐驰集团) 测试碳纤维/AG-80复合材料的导热系数。测试标准为ASTM E1461-2013。样品为直径12.6mm、厚度1.0~2.0mm的圆片形样品。同时导热仪可以控制温度变化从而测得变温导热系数。

2 结果与讨论

2.1 碳纤维种类对碳纤维/AG-80复合材料的导热性能的影响

表1展示的是纤维种类对碳纤维/AG-80复合材料的导热性能( 碳纤维轴向的导热系数) 的影响。可以看出，山西纤维/AG-80的导热系数要比P-30/AG-80的高得多，这是由于山西沥青基碳纤维的本体的导热系数是540W/(m·K)，比P-30的62W/( m·K) 高得多，而树脂基体的导热系数仅为0.1～0.2W/(m·K )，复合材料主要通过碳纤维的轴向传播热量。所以碳纤维导热系数高，制备出的复合材料的导热系数也高。

图2是碳纤维/AG-80复合材料中的热量传输路径图。碳纤维在复合材料中起到连通作用，就像热量传输的高速公路，热量主要从这些高速公路上进行传输。高速公路的宽度不同，车辆输送速度也不同。即纤维传输热量的能力不同，不同种类的碳纤维传输热量的能力不同，最后也会导致复合材料导热能力的不同。此种模型即是具有最高导热效率的导热模型 “平行模型”。

2.2碳纤维排布方向对碳纤维/AG-80复合材料的导热性能的影响

从表2可以看出，垂直于纤维轴向的P-30/AG-80复合材料的导热系数为0.91W/(m· K)，远远低于纤维轴向的11W/(m·K ) ，说明连续碳纤维导热复合材料并不是一个各向同性的导热体系。在纤维传输方向上碳纤维复合材料的导热系数可以达到一个较高的数量级，即可以形成具有最高导热效率的平行模型。但由于碳纤维材料是一维材料，并不是在所有的方向上都可以形成高导热通路。碳纤维/环氧树脂复 合材料中，在垂直于碳纤维的方向上，如图3所示，

传热过程主要包括以下几个过程: (1) 热源传到树脂，热量传到环氧树脂中后，由于环氧树脂的导热系数很低，所以热量传输非常慢; (2) 热量从树脂(低导热系数)传递到纤维( 轴向高导热系数)，其中大部分热量可能会沿着轴向传输，很少一部分热量会沿着垂直于轴向的方向传输;(3)热量从纤维再 传递到树脂。如此往复，再加之纤维和树脂之间的界面，声子跃迁受到阻碍，导热进一步受到阻碍，另外环氧树脂是绝缘材料也阻碍了电子导热方式的传输。综上所述，在垂直于碳纤维的方向上，传热方式就是串联模型，即热流传导方向完全被聚合物基体所阻隔的情况，热传导效率最低。

2.3 温度变化对碳纤维/AG-80复合材料的导热性能的影响

从图3可以看出，随着温度从25℃依次升高到50、75、100℃ , 山西纤维/AG-80复合材料的导热系数从322W/(m·K) 依次增加到361、347和344W/(m·K)。可见随着温度的升高，导热系数有一定的升高。这是由于温度升高后，传输热量的声子振动增强，导热系数有一定的增强。但是，声子振动的加强没有方向性，甚至有可能阻碍高热量传输，导致材料的导热系数降低。因此导热系数并不是随着温度的升高而一直升高，而是先升高后降低。高分子复合 材料在升温过程中也有可能发生进一步固化交联反应，也有可能吸收或者释放出热量，从而影响材料的导热系数。所以在导热高分子复合材料在长期使用过程中需要注意热量传输对高分子材料结构和导热系数的影响。

2.4 数据对比

现阶段部分研究者通过加入碳纤维法改善高分子复合材料的导热系数的一些研究如表3所示。

Tavman等研究了纤维填充高分子复合材料的各种 导热模型。Feng使用3Ω法检测了几种经过高温热处理的中间相沥青基碳纤维的导热系数，碳纤维经过3000℃热处理后，石墨结晶取向增加，导热系数达到了518W/(m·K) ，比银的417W/(m·K)和铜的398W/(m·K) 还要高，也高于同是通过声子导 热的氮化铝［300W/(m·K)］和氮化硼［290W/ (m·K)］，这为利用碳纤维制备高导热复合材料提供了材料基础。Yu等用冻干取向法使得短切碳纤维取向，制备了硅橡胶/碳纤维复合材料，其导热系数达到6.04W/(m·K (碳纤维体积分数12. 8%) 。Wang等利用碳纤维Z向插入石墨材料，复合材料 导热系数达到6.20W/ (m·K) 。

从表3可以看出，在制备高导热碳纤维复合材料方面，要碳纤维形成有序结构或网络结构才能获得较高的导热系数。但是上述复合材料的导热通路还没有达到较高的连通，即没有达到平行模型那么高的连通，导热系数仅在一个方向上得到很高的提高，并没有达到较高的水平，如10W/(m·K) 。

综上，碳纤维在聚合物中要形成连续网络结构，特别是连续纤维导热结构平行模型，导热系数才能得到极大提高，本文制备的连续沥青基碳纤维/环氧树脂复合材料具有极大的优势。但是垂直方向的导热系数受到限制，这有待进一步进行研究。

3 结论

1) 采用液相浸渍-排布-干燥-铺层-热压的制备 工艺方法制备了P-30/AG-80复合材料。采用模板排布-刷胶-铺层-热压的工艺制备了山西纤维/AG-80复合材料。并将T700 碳纤维与山西纤维混合杂化制备了混合纤维/AG-80复合材料。为连续高导热碳纤维/复合材料的制备提供了借鉴。

2) 制备的山西煤化所沥青基碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数达到了322W/( m·K ) ，远远高于常规碳纤维复合材料的导热系数。

3) 高导热碳纤维/环氧树脂复合材料中，碳纤维在轴向上可以形成高导热通路，即形成平行模型。垂直于轴向形成了低导热通路，即串联模型。因此设计和制备高导热碳纤维/环氧树脂复复合材料时应充分利用碳纤维轴向的导热性能。

4) 温度对高导热碳纤维/环氧树脂复合材料的 导热系数具有一定的影响。

来源：材料技术