碳/碳复合保温材料保温性能影响因素研究

姜召阳，陈小飞，张贵岐，罗昆鹏，韩刚，王春梅，于红刚，高晓佳，曹磊，马红林

（1.航天睿特碳材料有限公司，德州 253700；2.航天材料及工艺研究所，北京 100076）

1 引 言

碳/碳复合材料是以碳纤维作为增强体，碳作为基体的一类复合材料，因其具备低密度、高比强度、高比模量、耐腐蚀、强度在高温环境不降低等优良性能被广泛应用于航天、航空、核电、化工、高温装备等领域[1-2]。碳/碳复合保温材料属于低密度碳/碳复合材料，其多孔结构，可起到保温隔热作用，同时还兼具耐高温、耐腐蚀等碳/碳复合材料的优良特性。目前，国内传统保温隔热材料还存在高温变脆、使用寿命短、热场不稳定等缺陷，而高性能保温材料需要高价从国外采购[3-4]。

针对国家对高性能保温材料的需求，本文以短切碳纤维和酚醛树脂为原材料，采用湿法成型的方式制备高性能碳/碳复合保温材料，该材料具有低密度、低导热系数、均一性好、易加工等优点，并重点考察了短切碳纤维含量、石墨化处理温度对材料导热系数（1 500℃）的影响。

2 试样制备与试验方法

2.1 试样制备

将PAN基短切碳纤维与氨酚醛树脂混合均匀，通过湿法技术成型，后经过固化、碳化及高温处理制备出碳/碳复合保温材料。

2.2 试验方法

用QUANTA200型扫描电子显微镜（SEM）观察碳/碳复合保温材料的微观结构；用RDY-G高温热导率仪（水流量平板法）测试材料的导热系数；用ZGSJ-500-26B真空中频感应高温炉对材料进行石墨化处理；用Z10-10-1常压碳化炉对材料进行碳化处理。

3 试验结果与讨论

3.1 碳纤维含量对导热系数（1500℃）的影响

3.1.1 保温材料导热机理

保温材料导热是由材料结构决定的，由于保温材料大都有大量的孔隙，热量传递主要是通过实体部分的热传导、孔隙部分的热辐射和热对流进行，当孔隙小于1厘米时，会阻碍热对流和热辐射传热，且孔隙越小，效果越明显，所以，良好的保温材料大都是多孔结构，热量传递由实体部分的接触面积决定，接触面积越小，保温性能越好。

3.1.2 碳/碳复合保温材料微观结构

如图1所示，是制得的高性能碳/碳复合保温材料的微观结构。其中，图1（a）是材料z向视角，图1（b）是材料的xy向视角，可以看出，短切纤维平铺于xy方向，具有明显的层状结构，这是由材料湿法成型方式决定的，成型过程中，短切纤维随水流方向择优取向，形成了层状结构，且存在各向异性[5]。复合材料存在大量不规则的孔隙，均为微米级，主要来源于短切纤维的无序堆积，又短切纤维平铺于xy方向，热传递方向与纤维取向垂直，纤维与纤维之间采取搭接方式接触，所以，该材料是大量微孔结构，固体之间接触面积小，具有非常好的保温隔热性能。

图1 碳/碳复合保温材料微观结构Fig.1 Microstructure of carbon / carbon composite insulation materials

3.1.3 碳纤维含量对导热系数的影响

图2表明，碳/碳复合保温材料随着碳纤维含量提高，密度和1500℃导热系数均呈现减小趋势，这是由于纤维含量越少，不利于纤维XY向排列，Z向纤维多，热传导快，同时，纤维树脂搭接形成的内部孔隙大而少，热对流及热辐射均会加速热量的传递；随着纤维含量的提高，内部孔隙小而多，延长了热传导的路线，减缓了热量的Z向传递，提高了保温性能。但当碳纤维含量达到一定值（含量为C）后，材料的保温性能基本不再变化，说明在现有制备条件下，纤维含量的提高，已无法改变材料的孔隙结构；然而从材料的状态看，纤维含量达到D时，由于基体碳含量低，纤维之间无法实现有效连接，导致材料偏软，强度低，无法正常加工使用。所以，在保证材料强度的前提下，纤维含量越高，导热系数越小。

图2 短切碳纤维含量对材料密度和导热系数的影响Fig.2 Effect of chopped carbon fiber content on material density and thermal conductivity

3.2 石墨化处理对材料导热系数的影响

表1 石墨化处理对导热系数的影响Table 1 Effect of graphitization on thermal conductivity

碳/碳复合保温材料石墨化处理是碳原子进行规整有序重排的过程，重排会导致乱层石墨结构层间距变小，微晶尺寸变大，晶体趋于完整，声子平均自由程增大，自由电子数增多，声子导热和电子导热都会增强，从而导热系数升高[6]。所以会呈现如表1所示，经2 400℃石墨化处理 ，碳/碳复合保温材料的导热系数（1 500℃）从0.215w/m2·K提高到0.44w/m2·K。

4 结论

（1）以短切碳纤维和酚醛树脂为原材料，采用湿法成型、固化、碳化、石墨化处理的工艺路线制备高性能碳/碳保温材料；

（2）在特定条件下，短切碳纤维含量会影响碳/碳复合保温材料的保温性能，含量越高，导热系数越小，但纤维含量≥D时，材料成型困难，强度低；

（3）石墨化处理温度越高，碳/碳复合保温材料导热系数越高，这是由于石墨化处理是碳原子进行规整有序排列的过程，晶体更趋于完整，声子平均自由程增大，自由电子数增多，声子导热和电子导热都会增强，从而导热系数升高。