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高定向石墨塊的控制制備及其導(dǎo)熱性能影響因素研究

 石墨材料具有耐高溫、耐腐蝕、自潤(rùn)滑、抗熱 震、導(dǎo)熱及導(dǎo)電等優(yōu)越性能, 已經(jīng)在航空、航天、 核工業(yè)、軍工以及許多民用工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng) 用。熱物理性能是碳基功能材料的基本性質(zhì), 人們 對(duì)其已經(jīng)有了較為充分的認(rèn)識(shí)。在室溫下, 石墨單 晶層面方向的理論熱導(dǎo)率可達(dá)2000 W/(m·K)以上[1], 但是目前常用的石墨材料屬于多晶無(wú)規(guī)取向材料, 其熱導(dǎo)率較低, 一般僅為 70~150 W/(m·K)[2]。因此, 對(duì)石墨材料導(dǎo)熱性能(特別是定向?qū)?的研究及其 熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用成為人們近期關(guān)注的焦點(diǎn)[1-4]。制備石墨材料的原料主要是碳質(zhì)填料和粘結(jié) 劑。目前常用的填料有無(wú)煙煤、石油焦、瀝青焦、 冶金焦、天然石墨和炭黑等。與石油焦和瀝青焦類(lèi) 填料相比, 天然鱗片石墨本身具有較高的石墨化 度、結(jié)晶取向度、熱穩(wěn)定性以及較低的電阻率和熱 膨脹系數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)[5-6]。另外, 我國(guó)的天然鱗片石 墨礦藏資源豐富, 而且價(jià)格低廉, 目前主要用于制 備石墨電極、柔性石墨以及石墨烯片等[7-9]。近年來(lái), 為了解決熱管理領(lǐng)域面臨的一些散熱與導(dǎo)熱問(wèn)題, 人們紛紛嘗試采用廉價(jià)的天然鱗片石墨為原料來(lái)制 備高導(dǎo)熱石墨材料[10-12]。與煤瀝青、酚醛樹(shù)脂等粘 結(jié)劑相比, 中間相瀝青具有高純度、高軟化點(diǎn)和高 殘?zhí)柯? 在高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中很容易石墨化形成規(guī) 整的石墨結(jié)構(gòu)[13], 因此作為粘結(jié)劑將有利于改善材 料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱性能。本工作選用天然鱗片石墨和中間相瀝青為原料, 采用特殊的混料工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)物料的有效分散和均勻 混合, 即將瀝青粘結(jié)劑均勻涂覆在鱗片石墨表面, 利用一次熱壓成型加高溫?zé)崽幚砉に囍苽涓叨ㄏ蚋?導(dǎo)熱石墨材料, 并對(duì)其微觀(guān)結(jié)構(gòu)和物理性能進(jìn)行表 征, 同時(shí)詳細(xì)探討原料組成和比例以及制備工藝等 對(duì)石墨材料導(dǎo)熱性能的影響。 

1  實(shí)驗(yàn)方法 

1.1  實(shí)驗(yàn)原料 主要實(shí)驗(yàn)原料為山東天然石墨有限公司生產(chǎn)的 +32 目(篩上)天然鱗片石墨(純度大于 99.5%)。主要 采用的瀝青粘結(jié)劑為日本三菱化學(xué)公司生產(chǎn)的萘系 中間相瀝青(AR), 另外還選用了幾種瀝青進(jìn)行對(duì)比 研究, 如武鋼改質(zhì)瀝青“WG”, 實(shí)驗(yàn)室制備的萘瀝 青“NP”和萘系中間相瀝青“MP”, 東島碳素各向同性煤瀝青“SC”。1.2  制備方法 采用球磨工藝將一定量的天然鱗片石墨和瀝青 粘結(jié)劑粉料(4wt%~18wt%)以及適量的有機(jī)溶劑分 散均勻后, 放入耐熱不銹鋼模具內(nèi)進(jìn)行熱模壓, 其 中熱壓溫度約為 500℃, 熱壓壓強(qiáng)約為 10 MPa, 保 溫恒壓時(shí)間為 5 h, 冷卻后即得熱壓炭塊。再對(duì)熱壓 炭塊進(jìn)行高溫炭化(1000~1500℃)和石墨化(2800~ 3000℃)處理, 最終得到較低電阻率和較高熱導(dǎo)率 的石墨材料。1.3  結(jié)構(gòu)性能表征 采用 Carl Zeiss AX10 型偏光顯微鏡和 NOVA400 NANO型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀(guān)察原料和不同石 墨材料的微觀(guān)形貌和結(jié)構(gòu)。采用 Philips ?′PERT MPD PRO 型轉(zhuǎn)靶 X 射線(xiàn)衍射儀對(duì)不同石墨樣品進(jìn) 行物相分析, 以CuK?為輻射源, 并根據(jù)Scherrer和 Franklin 公式計(jì)算瀝青炭和石墨材料的平均微晶尺 寸和石墨化度。采用四探針?lè)ɡ?BS 407 型精密毫/ 微歐姆表測(cè)量不同石墨材料的室溫電阻率。采用 LFA 457 Nanoflash TM 型激光熱導(dǎo)儀測(cè)量石墨材料 的室溫?zé)釘U(kuò)散系數(shù), 并計(jì)算其熱導(dǎo)率。采用三點(diǎn)法 在 CMT4303 型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量不 同石墨材料的力學(xué)性能。 

2  結(jié)果與討論 

2.1  天然鱗片石墨涂覆瀝青粘結(jié)劑 天然鱗片石墨為片層狀結(jié)構(gòu), 其表面十分光滑, 一般情況下與中間相瀝青粘結(jié)劑不浸潤(rùn)、難相容, 很難實(shí)現(xiàn)二者的均勻混合。此外, 天然鱗片石墨的 石墨化度較高, 性質(zhì)較脆, 在混料過(guò)程中很容易破 碎細(xì)化, 這樣就破壞了鱗片石墨原有高取向結(jié)構(gòu), 因而不宜采用傳統(tǒng)的熱混捏、滾壓和強(qiáng)力攪拌等工 藝來(lái)混合原料。本研究添加適量的有機(jī)溶劑進(jìn)行混磨, 再用低 溫?zé)崽幚砻摮軇? 使瀝青粘結(jié)劑均勻涂覆或包裹 在鱗片石墨表面, 如圖 1(b)所示, 鱗片石墨表面均 勻涂覆了瀝青粘結(jié)劑, 局部未涂覆瀝青的區(qū)域在熱 壓成型過(guò)程中也會(huì)被熔融的瀝青流動(dòng)涂覆。涂覆瀝 青的種類(lèi)、用量及其性質(zhì)是制備高定向高導(dǎo)熱石墨 材料的關(guān)鍵。 

圖 1 鱗片石墨涂覆瀝青粘結(jié)劑(a)前(b)后的 SEM 照片 

2.2  高定向石墨塊的形貌及織構(gòu) 圖 2 為 2800℃石墨化樣品的光學(xué)照片、理想堆 積織構(gòu)和不同面的 XRD 圖譜。從圖 2(a)可以看出, 制備的石墨塊樣品紋理均勻、結(jié)構(gòu)致密(體積密度高 達(dá)~2.0 g/cm3), 材料成型較好, 無(wú)明顯裂紋和破損, 而且可以根據(jù)需要做成不同尺寸大小和厚度樣品。從圖 2(b)石墨塊樣品內(nèi)部石墨片的理想堆積織構(gòu)示 意圖中可以看出, 平面 A(熱壓面)上的鱗片石墨整 齊平鋪于石墨塊材主表面, 由中間相瀝青相互粘結(jié); 斜面 B 與平面 A 呈 45°夾角; 側(cè)面 C 即石墨塊樣品 的厚度面, 鱗片石墨一層層有序堆積、層疊排布, 切 口像整齊的累積書(shū)頁(yè)。以 86wt% +32目鱗片石墨和14wt%中間相瀝青 AR 為原料, 在 500℃、10 MPa 壓強(qiáng)下制備的炭塊經(jīng) 2800℃石墨化所得石墨塊不同面的 XRD 譜圖如圖 2(c)所示。石墨塊 A 面與天然鱗片石墨原料具有相 同的 XRD 衍射峰, 但前者在 2θ=26.5o 附近的(002) 晶面衍射峰強(qiáng)于后者, 這是由于天然鱗片石墨經(jīng)熱 壓成型處理后, 其片層的取向程度提高所致。石墨 塊C面(002)晶面衍射峰非常弱, 其強(qiáng)度約為A面的 1/1000, 這說(shuō)明鱗片石墨在石墨塊中具有非常明顯 的擇優(yōu)取向結(jié)構(gòu)。Bacon[14]和 Tassone[15]采用石墨塊 體兩個(gè)正交面(即 A面和C面)(002)晶面衍射峰強(qiáng)度 的比值來(lái)表征石墨材料的各向異性, 可見(jiàn)所制備的 石墨塊具有類(lèi)似定向熱解炭(石墨)材料的高度各向 異性特征。除了(002)晶面衍射峰外, C 面還出現(xiàn)了 (100)、(101)、(110)等晶面衍射峰, 說(shuō)明天然鱗片石 墨在石墨塊中形成了三維層狀堆積結(jié)構(gòu)[16-17]。當(dāng)所有的石墨片都如圖 2(b)中所示那樣高度定向堆積排 列形成理想取向結(jié)構(gòu)時(shí), XRD 譜圖中(002)晶面衍射 峰將徹底消失[18]。C 面較弱的(002)晶面峰可能與部 分鱗片石墨排列不理想有關(guān)或是存在少量的石墨碎 片以及瀝青粘結(jié)劑高溫?zé)崽幚硌苌氖w粒, 因此出現(xiàn)較弱的(002)晶面衍射峰是很難避免的。B 面的衍射峰位置與 C 面相似, 其(002)晶面衍射峰 較強(qiáng), 但比A面的稍弱一些; B面的(101)和(103)晶 面衍射峰較強(qiáng), 這與石墨微晶堆積排列擇優(yōu)取向有關(guān)。 

2.3  高定向石墨塊的微觀(guān)結(jié)構(gòu) 圖3為AR瀝青粘結(jié)劑用量為14 wt%樣品2800℃ 石墨化后不同面的 SEM 照片。從圖 3(a)可以發(fā)現(xiàn)鱗 片石墨沿 A 面完全平鋪, 這與圖 1(a)單片鱗片石墨 表面的 SEM 像較為相似, 只有少量細(xì)石墨片微微 突起, 這可能與熱壓過(guò)程中這部分石墨片隨瀝青粘 結(jié)劑流動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)或是在制樣時(shí)因機(jī)械拋光打磨掛 起所致。圖 3(b)顯示 B 面呈階梯狀, 大部分鱗片石 墨斷口整齊, 排布規(guī)整有序, 少量無(wú)序的細(xì)石墨片 可能與制樣時(shí)機(jī)械切割打磨擾動(dòng)有關(guān)。圖 3(c)進(jìn)一 步顯示鱗片石墨幾乎相互平行層疊堆積在一起, 形 成高度定向的三維石墨層狀結(jié)構(gòu)。圖 3 中石墨塊的 微觀(guān)結(jié)構(gòu)很好地驗(yàn)證了圖2(b)的堆積織構(gòu), 與圖2(c) 的 XRD 圖譜地特征也相符。從圖 4 石墨塊 C 面的偏光織構(gòu)照片可以看出, 鱗片石墨沿垂直于熱壓方向堆積排列, 呈高度擇優(yōu) 取向狀態(tài)。天然鱗片石墨片層間的中間相瀝青粘結(jié) 劑呈線(xiàn)條狀, 分布較為均勻, 經(jīng)高溫石墨化處理后 也呈擇優(yōu)取向。圖 4 中黑色孔洞較少, 可能源于石 墨塊原有孔隙或是制樣時(shí)脫落的瀝青炭空位, 孔洞 邊緣處石墨片也具有較好的取向。

2.4  高定向石墨塊的物理性能 2800℃石墨化樣品的室溫面向熱導(dǎo)率高達(dá) 552 W/(m·K), 而垂直方向(沿厚度)的室溫?zé)釋?dǎo)率 僅為25 W/(m·K), 兩個(gè)正交方向上的熱導(dǎo)率相差22 倍, 說(shuō)明所制備的石墨塊具有較高的熱學(xué)各向異性, 這是由石墨層片定向有序堆積排列形成的高度各 向異性結(jié)構(gòu)決定的。石墨塊的比熱導(dǎo)率(~280)遠(yuǎn)高 于金屬銅的比熱導(dǎo)率(~44)。石墨塊兩個(gè)正交方向 的室溫電阻率也明顯不同, 分別為 1.45 μ?·m 和 8.35 μ?·m, 相差 6 倍, 說(shuō)明所制備的石墨塊在電學(xué) 性能上也具有較高的各向異性, 這源于石墨塊結(jié)構(gòu) 的各向異性。采用天然鱗片石墨制備的石墨塊力學(xué)性能不高, 也顯示出一定的各向異性[17]。1500℃炭化樣品的耐 壓強(qiáng)度在 10~15 MPa 之間, 2800℃石墨化樣品的耐壓

圖 2  高定向石墨塊 2800℃石墨化樣品的(a)光學(xué)照片、(b)織構(gòu)示意圖及其(c)不同面的 XRD 譜圖 

強(qiáng)度在 8~12 MPa 之間。1500℃炭化樣品的抗彎 強(qiáng)度約為 7~12 MPa, 2800℃石墨化樣品的抗彎強(qiáng)度 約為 5~10 MPa。較低的力學(xué)性能與天然鱗片石墨自 身的脆性及其片層有序堆積形成的高度各向異性結(jié)構(gòu)有關(guān)。

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