短纤维增强鳞片石墨基复合材料的制备及其热力学性能研究

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1、密级中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文作者姓名：壑蚕指导教师：主量型班耋虽主国整堂睦出酉堪巍丝堂班宜压割占至副班生国科堂瞳出酉堪巍丝堂班珏压学位类别：王堂燧±学科专业：挝拦堂培养单位：生国型堂院出酉堪巍毡堂班宜伍2013年4月

2、JUllIlllllIIIlllllllIIlY2382353By物nZhaoADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedeg

3、reeofDoctorofMaterialsScienceInstituteofCoalChemistry,ChineseAcademyofSciencesApril，2013致谢本论文是在史景利研究员和刘占军副研究员的精心指导下完成的。导师渊博的学识、严谨的科研作风及丰富的实践经验令本人受益匪浅。从本课题的选题思路、实施到结果的分析表征以及论文的写作等方面，两位导师认真负责，付出了很多心血。同时，在生活当中，导师也给予了许多鼓励和帮助。导师所付出的一切，本人将永远感激在心，不敢忘却!刘朗研究员、郭全贵研究员、宋进仁研究员、要立中研究员、宋燕研究员、翟更太高工、高晓晴副研究

4、员、张东卿副研究员等老师对本课题的研究工作及论文撰写等提出了许多宝贵建议和有益指导，本人在此表示衷心的感谢。感谢705组全体工作人员的大力支持和无私帮助。特别感谢李贵生、樊彦贞、刘长安、刘乃芝、曹雅秀、周小棣、张金喜、魏兴海、郎冬生、赵文光、张俊鹏、郭晓慧等在实验及测试当中提供的热心帮助和支持。同时还要感谢纳米中心的彭开武老师、中北大学的潘保武教授、天津大学的崔兰教授以及沈阳金属所的林青云博士等对本论文的表征工作所作出的努力和帮助。感谢同门师兄弟张金才、赵松、宋金亮、仲亚娟、耿煜、李鹏、钟明、汪向磊、肖客松、刘均庆、王慧奇、杨金华、马昌、翟晓玲、王立勇、刘双、曹涛、王凯、孔

5、垂周、曹瑞雄、闫蕊等在工作和生活中的相互支持和帮助。特别感谢李进、陶则超两位师兄和马灿良师弟在课题方面的相互协作和配合及学术问题的探讨。此外，还要感谢同窗好友闫琪轩、李俊国、武蒙蒙、任利伟、张斌、许烽、张继柱、郝玉良等在学习和生活中所给予的支持和帮助。感谢研究生部的梁萍、韩丽娜、原辉、孔鹏及图书馆的郑钧等老师所给予的指导和关照。同时感谢分析测试中心、档案室、物资处、科技处、财务处等部门老师们的支持。特别感谢我的父母、哥哥和弟弟多年来为本人的求学生涯所付出的一切。父母为我所作出的巨大牺牲和努力本人将永远铭记于心，努力回报。感谢女友曹莉娟在学习和生活当中所作出的牺牲和付出的一切

6、。她在学习和生活中的理解、支持和鼓励是本人学业得以顺利完成的重要保障。最后，感谢为评审本论文而付出辛勤劳动的全体专家学者!赵云2013年6月摘要随着电子工业的高集成和高功率化，如何实现电子器件的快速散热已逐渐成为一个亟待解决的问题。传统的热管理材料是由铜、铝及其金属合金制成。然而金属材料较高的密度、较低的热导率以及较大的热膨胀系数难以满足新型轻质散热器件的应用要求。与金属材料相比，石墨材料由于其特殊的六角网状层叠结构，而具有质轻、导热导电性能优良、热膨胀系数低及耐腐蚀等优点。天然鳞片石墨(NGF)具有较高的结晶度、较大的晶粒尺寸及沿片层方向的取向性，因而是用来制备高导热石墨

7、的理想填料。然而，NGF表面惰性很强，在烧结过程中与粘结剂间的界面结合力差，因而以其为填料制得的石墨材料的机械强度较低，从而大大限制了其在热管理领域的广泛应用。中间相沥青炭纤维(MPCF)具有高强度、高模量、优良的导热导电性能等优点，是一种改善材料的热传导及力学性能的功能型增强体。本论文以短切MPCF为增强体，NGF为填料，中间相沥青为粘结剂，通过快速热压烧结法制得短纤维增强鳞片石墨基复合材料，以期MPCF在体系中的引入能够在不损失材料面向热导率及其他性能的同时显著提升材料的机械强度。本论文系统考察了混料工艺、NGF尺寸、粘结剂含量、纤维含量、纤维长度及热压温度对材料微观结

8、构及热／力学性能的影响，在此基础上，对短纤维增强鳞片石墨基复合材料的传导机理进行了深入的分析。此外，通过在NGF表面原位附载炭纳米管(CNTs)来改善NGF与基体间的界面结合，进而改善了材料的机械强度，同时不造成材料面向热导率的明显下降。具体的结果及结论如下：1．与常规的干混、球磨、超声分散等混合方式相比，将短纤维在含有适量表面活剂的分散体系中机械搅拌可实现纤维与其他原料粉末较好的分散。2．NGF的颗粒尺寸为80目、粘结剂的含量为25叭．％时，所制备出的材料有着较佳的面向热导率、较低的电阻率以及较高的机械强度。3．