CF/SiO2/MVQ导热复合材料研究*

李 波，王 铎

（陕西理工大学材料学院，陕西汉中723001）

碳纤维(CF)含碳量超过90%，具有高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐射、抗疲劳、抗蠕变、导热、导电等一系列优良性能，并具有柔曲性和可绕性等纤维特有的性能，被广泛应用于复合材料领域[1～3]。其纵向导热率可达到(50～6000)W/m·K，可在较低含量下较好地增强基体材料的导热性，因此被广泛用于各种导热复合材料的制备[4～5]，但随着碳纤维的增加，复合材料的机械性能也会相应地降低，于是人们开发出了很多复合填料来应对这个问题，并在此之上取得了一定的成果[6-12]，但对硅橡胶方面的研究尚有不足，本实验以碳纤维与增强填料白炭黑（SiO2）混合填充甲基乙烯基硅橡胶（MVQ），然后对其力学性能和热性能进行分析。

1 实验部分

1.1 原材料

沉淀法白炭黑，110-2甲基乙烯基硅橡胶，短切碳纤维，双二五（2,5-二甲基-2,5-双（过氧化叔丁基)己烷）。

1.2 实验仪器

天津泰斯特仪器有限公司生产的WGL-125B型鼓风干燥箱，天津泰斯特仪器有限公司生产的XK160-320型橡胶开炼机，昆山科瑞特试验仪器有限公司生产的GLB-25T型平板硫化机，乐清市艾德堡仪器有限公司生产的LX-A型硬度计，长春智能仪器设备有限公司生产的LDS-500型电子拉力试验机，日本京都电子工业株式会社生产的QTM-500型迅速热传导率仪，扬州市道纯试验机械厂生产的CP-25-Ⅱ型制样机，日本电子株式会社生产的JSM-6390LV型扫描电镜。

1.3 样品制备

按表1配方，将开炼机辊距调整到合适的距离，然后加入甲基乙烯基硅橡胶生胶，等待生胶包辊后再逐步加入填料，等待填料和生胶混合均匀后再加入硫化剂双二五，混炼 5min后取下，调整辊距，粗通1 min。

将混炼均匀的胶料放在平板硫化机上，在170℃、4 MPa下硫化15 min后得到CF/SiO2/MVQ硫化胶，然后将其放置在200℃下的烘箱中4 min进行二段硫化得到样品。

表1 CF/SiO2/MVQ导热复合材料配方Table 1 The formula of CF/SiO2/MVQ thermally conductive composite

1.4 测试与表征

（1）硬度

先将硬度仪调试校零，然后将硬度仪置于片状试样距离边缘5 mm以上的平坦表面上，垂直用力按压硬度仪，观察硬度仪上指针变化，等到指针达到最大值时迅速记录硬度数值，更换位置继续以上操作，得到5组数值后取平均值就得到了最终数值。

（2）拉伸性能

采用制样机制备长100 mm、中间宽4 mm、厚度为3mm的哑铃型样条，然后以30mm为原始标距，以3 mm/s的速度开始拉伸，直到样条断裂后得到数据，每个样品重复三次，最后取平均值。

（3）导热性能

打开迅速热传导率仪，预热30min后，设定I2=2.000，初始温度为23℃，将电阻丝放置在降温块上降温，等到温度降至23℃时，将电阻丝放在平坦的片状试样表面，等到1min后快速记录数据，每个样品重复测试三次，最后取平均值。

（4）扫描电镜（SEM）

将试样断面朝上粘贴在载物台上，然后在其上喷金，打开扫描电镜主机，等待其预热15 min后设置电压为10kV，放入样品后抽真空后开始放电拍照。

2 结果与讨论

2.1 硬度

由图1可以看出，当复合填料中碳纤维的比例为0%时，硫化胶的硬度为80，随着复合填料中碳纤维比例的增加，硫化胶的硬度逐渐降低，当填料全部为碳纤维时，其硫化胶硬度降低31.25%，达到最低值55，碳纤维与甲基乙烯基硅橡胶之间的结合不如白炭黑紧密，对硅橡胶的增强不如白炭黑。

图1 CF含量对CF/SiO2/MVQ导热复合材料硬度的影响Fig.1 Effect of CF content on the hardness of CF/SiO2/MVQ thermal composites

2.2 拉伸强度和断裂伸长率

从图2中可以看出，当复合填料中CF的比例为0时，硫化胶拉伸强度为4.39MPa，断裂伸长率为271.76%，随着复合填料中碳纤维比例的增大，硫化胶的拉伸强度和断裂伸长率均逐步降低，当填料全部为碳纤维时，硫化胶的拉伸强度和断裂伸长率分别降低83.15%和53.19%，达到最小值0.74MPa和129.95%，由此可以看出，相较于白炭黑，碳纤维对甲基乙烯基硅橡胶的增强效果较差。

图2 CF含量对CF/SiO2/MVQ导热复合材料拉伸性能的影响Fig.2 Effect of CF content on tensile properties of CF/SiO2/MVQ thermal composites

2.3 微观形貌

由图3可以看出，当填料中没有碳纤维时，硫化胶断面平整，结构紧密，没有明显缺陷；当填料中有25%的碳纤维时，硫化胶断面开始出现少量的空隙和孔洞，碳纤维与硫化胶的联结较为紧密，在拉伸过程中碳纤维无法自由移动，但明显取向；当填料中碳纤维的比例增加到50%时，硫化胶出现了明显的分层现象，缺陷增多，同时碳纤维的取向程度下降；当碳纤维的比例上升到75%时，硫化胶断面上则开始出现大量缺陷，并出现明显的破碎，碳纤维有序性进一步降低，并在硫化胶内部出现大量空隙；当填料全部为碳纤维时，硫化胶断面上碳纤维呈现出完全无序的排列，并且硫化胶被严重割裂，内部出现大量空隙和缺陷。

图3 CF含量对CF/SiO2/MVQ导热复合材料微观形貌的影响Fig.3 Effect of CF content on the morphology of CF/SiO2/MVQ thermal composites

2.4 导热系数

由图4可以看出，当复合填料中碳纤维的比例为0%时，硫化胶的导热系数为0.2422 W/m·K，随着碳纤维比例的增加，硫化胶的导热系数不断增加，直到碳纤维比例达到75%时增加74.56%，达到最大值0.4228 W/m·K，但随着复合填料中碳纤维比例的继续增加，硫化胶的导热系数开始降低，直到填料全部为碳纤维时，硫化胶的导热系数降低至0.3415 W/m·K，由此可以看出，复合填料中的碳纤维比例为75%时最佳。

图4 CF含量对CF/SiO2/MVQ导热复合材料导热系数的影响Fig .4 Effect of CF content on thermal conductivity of CF/SiO2/MVQ thermal conductive composites

3 结论

（1） 随着碳纤维含量的增加，硫化胶中导热率增加，碳纤维占复合填料总量的75%时导热系数增加74.56%，达到最大值0.4228 W/m·K，然后逐步降低。

（2） 随着碳纤维含量的增加，硫化胶的力学性能不断降低，碳纤维在复合填料中比例从0%达到100%，其硬度降低31.25%，拉伸强度降低83.15%，断裂伸长率降低53.19%。

（3）随着碳纤维含量的增加，在硫化胶中逐渐由有序排列转变为无序排列，胶体逐渐被割裂，出现大量空隙、破碎以及其他缺陷。