高導熱炭基功能材料

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高導熱炭基功能材料
(CARBON MATRIX FUNCTION MATERIALS OF HIGH THERMAL CONDUCTIVITY)
　　高導熱炭基功能材料是指具有高熱導率的炭材料，是能源、計算技術、通訊、電子、激光和空間科學等現代技術的基礎。一般炭材料的常溫熱導率僅為 70W/m·K～150W/m·K左右，而高導熱炭基功能材料的常溫熱導率大于300W/m·K，有的甚至高達2000W/m·K左右。
材料的導熱機理 　
    固體中擔負導熱的物質（載流子）有電子、晶格振動（聲子）、光子等。這些不同載流子的作用加起來決定了整個材料的熱導率。對于非金屬固體而言的炭材料，其導熱機構主要是晶格振動。炭材料幾乎都是以六角碳網平面的積層體為“微晶”的多晶體，它的結構及其微細組織的狀態，極大地影響著炭材料的形態、物性等多種特征。
    石墨微晶具有下述特征：(1) 幾乎可完全看成是二維結構，是具有極端的層狀結構；(2) 層平面內的碳原子之間保持牢固的鍵合；(3) 是原子量比較小的單體。 作為固體物質它們相當特殊，其晶格振動與一般物質有很大的不同。石墨晶格中存在的空洞、位錯及其他晶格缺陷，以及晶粒大小都對聲子傳遞熱能有影響。材料的石墨化程度越高，晶格越完善，材料的熱導率越高。
    在理想的石墨晶體中層平面內的熱導率和垂直該平面方向的熱導率完全不同，由接近完整結晶的熱分解石墨在層平面內的熱導率可達2400W/m·K，而垂直于碳網平面的熱導率僅為平行方向的1/400。
    高導熱炭基功能材料的研究進展：炭材料的種類和形狀各式各樣，其石墨微晶的大小以及取向，或者空間的形狀及分布的不同，其熱導率呈現很大的變化。聚丙烯睛基炭纖維（PAN-CF）工業化已有二十多年的歷史，具有較為豐富的實際生產經驗和相對較為完善的基礎理論。炭纖維的趨向度和結晶度越高，其熱導率就越高。目前報道熱導率較高的PAN-CF是由美國Celanese公司生產的，室溫下為175W/m·K。與PAN-CF相比較，瀝青基炭纖維發展較緩慢。高性能瀝青基炭纖維是由中間相瀝青轉化而成，液相固有分子的定向排列被保留下來，因此具有優良的傳導性能。據報道美國Amoco公司生產的P130X瀝青基炭纖維的熱導率室溫下可達1120W/m·K。氣相生長炭纖維（VGCF）是通過獨特生長機理而形成的具有高附加值的功能性炭纖維，它是目前為止所報道熱導率最高的炭纖維。Heremans等學者制備出的VGCF室溫下熱導率可達1950W/m·K,尤其在160K時可達到最大值2500W/m·K。隨著納米技術的飛速發展，如今碳納米管的制備技術也取得了長足的進步。碳納米管是由單層或多層石墨片卷曲而成的無縫納米管狀殼層結構，據測算長度大于 10nm的碳納米管的熱導率大于2800W/m·K。
    隨著高導熱炭纖維制備技術的提高，以此為基體所制備的炭/炭（C/C）復合材料的導熱性能也有了長足的進步。美國現已制備出的C/C復合材料的一維、二維以及三維的熱導率分別可達670W/m·K、460W/m·K和345W/m·K。T.M.Ting等學者采用液相瀝青浸漬制備出的VGCF/C復合材料的熱導率為910W/m·K。此外，國外采用摻雜工藝，通過添加鈦粉所制備的摻雜石墨的熱導率可達610W/m·K。國內中國科學院山西煤炭化學研究所在這方面也取得了很大的進步，目前采用熱壓工藝制備出了熱導率為490W/m·K的摻雜石墨。
　
應用領域 　

    由于炭材料具有耐高溫、耐腐蝕、抗熱振性好、優良的傳導性能等其他材料所不可比擬的優良性能，因此高導熱炭基功能材料已廣泛運用航空、航天、核工業以及軍工等領域。戰略導彈在再入大氣層過程中，彈頭端部表面溫度在3000K左右，駐點溫度高達8000K以上，過載超過上百個大氣壓，在到達離地面12km以后，更會碰到各種天然或人為粒子云的沖刷，嚴重威脅其生存。戰略導彈彈頭的防熱材料現在主要采用炭基復合材料。在原子能開發方面的核聚變第一壁材料也要求采用具有高導熱以及耐熱沖擊性的炭基復合材料。航天飛行器的許多電子部件需要在40℃～60℃的環境溫度下正常工作，為此儀器運行過程中產生的熱量必須及時導出。目前采用的散熱器主要是鋁制材料，采用高導熱炭基復合材料，可實現部件的小型化、裝置輕量化、結構緊湊化和運行高效化。從上述可以看出高導熱炭基功能材料是與高技術密切相關，是新一代軍用武器裝備非常重要的一種新材料，在現代工業、國防和高技術發展中具有重要的戰略意義。