高导热中间相沥青基炭纤维的微观结构分析_袁观明
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低，热 导 率 越 高。 Ｋ－１１００ 纤 维 的 电 阻 率 低 至 １．１μ! ·ｍ，热导率高达１１００Ｗ／（ｍ·Ｋ）。
表 １ 高 导 热 中 间 相 沥 青 基 炭 纤 维 的 性 能 ［１１］ Ｔａｂｌｅ １ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈ－ｂａｓｅｄ ｃａｒｂｏｎ
１８０６
２０１１ 年 第 １０ 期 （４２）卷
高导热中间相沥青基炭纤维的微观结构分析＊
袁 观 明１，李 轩 科１，董 志 军１，周 婧１，崔 正 威１，从 野１，张 中 伟２，王 俊 山２
（１．武汉科技大学 化学工程与技术学院，湖北 武汉 ４３００８１；２．航天材料及工艺研究所，北京 １０００７６）
１ 引 言
中间相沥青基炭纤维由于其石墨晶体结构沿纤维 轴 高 度 择 优 取 向 ，具 有 较 低 的 电 阻 率 和 极 高 的 导 热 率 ， 因而常被用作高导热 Ｃ／Ｃ 复 合 材 料 理 想 的 增 强 体，在 航 空 、航 天 、核 能 等 领 域 的 热 管 理 系 统 中 得 到 广 泛 的 应 用 。 ［１－４］ 如美国 Ａｍｏｃｏ 公 司 生 产 的 牌 号 为 Ｋ－１１００ 圆 形截面中间 相 沥 青 基 炭 纤 维 的 室 温 轴 向 热 导 率 高 达 １１００Ｗ／（ｍ·Ｋ），加 上 其 负 的 热 膨 胀 系 数，高 模 量，低 密度，使其特别 适 合 于 制 成 高 导 热 及 尺 寸 稳 定 或 热 膨 胀 系 数 匹 配 的 复 合 材 料 ，广 泛 用 于 卫 星 、导 弹 及 航 空 电 子装置散热板印刷电路衬板等场合。大型电子计算机 ＣＰＵ 及许多民 用 电 子 装 置 如 果 能 使 用 这 种 材 质 散 热 板，无疑会大大提高效率 。 ［５－７］ 但 是 国 外 对 中 间 相 沥 青 基炭纤维的制 备 技 术 和 实 验 工 艺 高 度 保 密，而 且 对 我 国 实 行 长 期 禁 售 政 策 ，加 上 生 产 此 类 材 料 的 工 艺 复 杂 ， 成本较高，这使 得 我 国 在 高 导 热 中 间 相 沥 青 基 炭 纤 维 及其复合材料的研究方面还与国外存在一些差距。目 前，国内有许多 科 研 单 位 在 研 发 中 间 相 沥 青 基 炭 纤 维 及其产品，但是 真 正 能 够 稳 定 化 小 批 量 制 备 这 种 高 性 能 纤 维 的 并 不 多 见 ，而 且 相 关 的 研 究 报 道 非 常 少 ，仅 有 一些综述 性 文 章 提 及 。 ［２，８－１０］ 因 此 有 必 要 对 国 外 高 导 热中间相沥青基炭纤维的微观结构和形貌进行分析，
Ｆｉｇ １ＦＥＳＥＭ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈ ｂａｓｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ 以萘系中间相沥青为原料制备的圆形截面中间相 如图２（ａ）所示，这 与 其 横 截 面 主 要 是 径 向 辐 射 状 或 褶 沥青基炭纤维（直径约为１８～２５μｍ）也存在劈裂现象， 皱辐射状结构有关。 １６００℃高温炭化处 理 后 的 纤 维 大 部 分 形 成 劈 裂 结 构，
构 ，石 墨 层 片 间 距 约 为 ０．３３７ｎｍ，接 近 于 理 想 石 墨 晶 体 的 层 间 距 ０．３３５ｎｍ。 这 说 明 带 状 纤 维 内 部 石 墨 晶 体 生 长更加完 善，石 墨 层 片 取 向 程 度 更 高。 美 国 Ｃｌｅｍｓｏｎ 大学 Ｅｄｉｅ研 究 团 队 制 备 的 宽 度 为 ２０～３０μｍ 的 中 间 相沥 青 基 带 状 石 墨 纤 维 的 室 温 热 导 率 高 达 ８００～ ９００Ｗ／（ｍ·Ｋ）［１２］，我 们 制 备 的 带 状 石 墨 纤 维 的 截 面 积更大，其石墨 晶 体 尺 寸 较 大，晶 界 和 缺 陷 相 对 较 少，
图１为３种牌 号 中 间 相 沥 青 基 炭 纤 维 的 ＦＥＳＥＭ 照片。从低倍照片中可以发现这几种炭纤维的直径大
小 和 分 布 都 非 常 均 匀，Ｐ－５５ 的 直 径 大 小 约 为 ７～
１１μｍ，Ｐ－１００的直径 大 小 约 为 ８～１０μｍ，Ｋ－１１００ 的 直 径大小约为６～８μｍ，但 是 Ｋ－１１００ 纤 维 大 部 分 发 生 轴 向 劈 裂 形 成 楔 形 结 构 ，而 其 它 ２ 种 纤 维 没 有 发 生 劈 裂 ，
取向程度较 Ｋ－１１００纤 维 要 明 显 一 些。 从 图 ３ Ｋ－１１００ 圆形 石 墨 纤 维 和 ３０００℃ 石 墨 化 带 状 纤 维 的 ＨＲＴＥＭ 照 片 可 以 进 一 步 看 出 ，带 状 纤 维 石 墨 化 后 微 晶 较 大 ，其
内部晶格条纹排 列 很 规 整，是 一 种 长 程 有 序 的 晶 体 结
图２ 实验室自制中间相沥青基圆形炭纤维和带状石墨纤维的 ＦＥＳＥＭ 照片 Ｆｉｇ ２ＦＥＳＥＭ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈ－ｂａｓｅｄ ｒｏｕｎｄ ｓｈａｐｅ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒｓ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｅｄ ａｔ １６００℃ ａｎｄ ｒｉｂｂｏｎ－
ｓｈａｐｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄ ｆｉｂｅｒ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｅｄ ａｔ ３０００℃
ｆｉｂｅｒｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ［１１］
物理性能
Ｐ－５５ Ｐ－１００ Ｐ－１２０ Ｋ－１１００
密度（ｇ／ｃｍ３） １．９０ ２．１６ ２．１７ ２．２０
电阻率 （μ! ·ｍ） ８．５ ２．２～２．５ ２．０～２．２ １．１～１．３ 热导率（Ｗ／（ｍ·Ｋ）） １２０ ５２０ ６４０ ９００～１１００
摘 要 ： 中 间 相 沥 青 基 炭 纤 维 具 有 低 电 阻 、高 导 热 特 性，是目前最具发 展 前 景 的 功 能 型 导 热、散 热 材 料，但
是国内对其微观结构和性能的研究报道较少。对国外
高导热中间相沥青基炭纤维的微观结构和形貌进行了
分析，同时将实 验 室 研 发 的 不 同 截 面 形 状 中 间 相 沥 青
合 材 料 ，石 墨 化 后 炭／炭 复 合 材 料 的 体 积 密 度 达 到１．８１ ｇ／ｃｍ３，沿纤维轴向电阻率低于 １．５μ ! ·ｍ，室 温 轴 向 热导率高达６００Ｗ／（ｍ·Ｋ）。 可 见 单 根 带 状 石 墨 纤 维 的轴向电阻率应 该 比 复 合 材 料 更 低，由 高 度 取 向 中 间
相 沥 青 基 带 状 炭 纤 维 热 导 率 和 电 阻 率 的 计 算 关 系 （λ＝ １２６１／κ）［１５］知带状石墨纤维的 轴 向 热 导 率 高 于 ８４０Ｗ／ （ｍ·Ｋ）。另外由 单 向 纤 维 增 强 复 合 材 料 的 热 导 率 计
２０１１ 年 第 １０ 期 （４２）卷
算方法并考虑到 成 型 工 艺、沥 青 用 量 和 界 面 多 个 因 素 的影 响，推 测 单 根 带 状 石 墨 纤 维 （体 积 密 度 为 ２．１ｇ／ ｃｍ３）的 轴 向 热 导 率 肯 定 高 于 ８００Ｗ／（ｍ·Ｋ）。
图３ Ｋ－１１００ 和 ３０００℃ 石 墨 化 纤 维 带 的 ＨＲＴＥＭ 照
片 Ｆｉｇ ３ＨＲＴＥＭ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ Ｋ－１１００ａｎｄ ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄ ｆｉｂｅｒ
收 到 初 稿 日 期 ：２０１１－０１－２８
收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１１－０４－０８
通 讯 作 者 ：李 轩 科
作 者 简 介 ：袁 观 明 （１９７８－ ），男 ，湖 北 咸 宁 人 ，博 士 生 ，师 承 李 轩 科 教 授 ，从 事 新 型 炭 材 料 研 究 。
袁观明 等：高导热中间相沥青基炭纤维的微观结构分析
同时将最近研发的圆形截面和带状截面中间相沥青基 炭纤维的微观结 构 进 行 比 较，为 国 内 研 究 同 行 提 供 一 些参考。
２ 实 验
采用 ＮＯＶＡ４００ ＮＡＮＯ 型 场 发 射 扫 描 电 子 显 微 镜和ＪＥＭ２１００Ｆ 型 透 射 电 子 显 微 镜 观 察 美 国 Ａｍｏｃｏ 公司和我们生产的中间相沥青基炭纤维的微观结构和
基炭纤维进行比较。研究结果表明中间相沥青基炭纤
维具有的高导热特性源于其内部三维有序堆积的类石
墨层状Fra Baidu bibliotek构和较为完整生长的石墨晶体。热处理温度
越高，其类石墨 晶 体 生 长 越 完 善，层 片 取 向 程 度 越 高。
与圆形截面辐射 状 结 构 中 间 相 沥 青 炭 纤 维 相 比，带 状
截面炭纤维有效 解 决 了 劈 裂 问 题，其 石 墨 片 层 间 距 为
这可能与 Ｋ－１１００纤维经过 ３０００℃ 高 温 石 墨 化 处 理 其 内部石墨晶体的生长和取向不同形成应力集中有关。
从对应放大照片 中 可 以 明 显 看 出，这 几 种 纤 维 内 部 石
＊ 基金项目：国家自然科学基金重大研究计划重点资助项目（９１０１６００３）；武汉科技大学科学基金资助项目（２００８ＴＤ０６）
１８０８
但是制备的带状截面中间相沥青基炭纤维则不存 在劈裂问题，如 图 ２（ｂ）所 示，３０００℃ 高 温 石 墨 化 带 状 纤维 没 有 发 生 褶 皱、扭 曲 或 劈 裂 现 象，其 表 面 光 洁 平
整，截面宽度约为 １ｍｍ，厚度均匀，约为 １０μｍ，是一般 市售圆形中 间 相 沥 青 基 炭 纤 维 （≈１０μｍ）截 面 积 的 １００倍，属于超宽带状 纤 维，而 且 带 状 纤 维 内 部 石 墨 晶 体 发 育 完 整 ，石 墨 层 片 平 行 于 带 状 纤 维 主 表 面 ，其 晶 体
形貌。并采 用 Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｘ′ＰＥＲＴ ＭＰＤ ＰＲＯ 型 转 靶 Ｘ 射线衍射仪对中 间 相 沥 青 基 炭 纤 维 进 行 物 相 分 析，以 ＣｕＫα为辐射源，管 电 压 为 ４０ｋＶ，管 电 流 为 ３０ｍＡ，根 据 Ｓｃｈｅｒｒｅｒ公式计算炭纤维的平均微晶尺寸（如 Ｌｃ）。
３ 结 果 与 讨 论
墨 晶 体 的 生 长 发 育 程 度 不 一 样 ，呈 依 次 增 大 的 趋 势 ，这 可能与纤维的 最 终 热 处 理 温 度 有 关，３０００℃ 热 处 理 纤 维（Ｋ－１１００）内部石墨 晶 体 生 长 发 育 最 为 完 整。 此 外， 这 几 种 纤 维 横 截 面 处 石 墨 晶 体 的 取 向 也 不 一 样 ，Ｐ－５５、
０．３３７ｎｍ，层片堆积高度达到 ２６．７７ｎｍ，轴向 热 导 率 高
于 ８００Ｗ／（ｍ·Ｋ）。
关 键 词 ： 高 导 热 ；中 间 相 沥 青 基 炭 纤 维 ；微 观 结 构
中 图 分 类 号 ： ＴＢ３４；ＴＢ３８３
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１００１－９７３１（２０１１）１０－１８０６－０４
１８０７
Ｐ－１００ 这 ２ 种 纤 维 的 圆 形 截 面 中 部 以 片 层 状 结 构 为 主，周 边 是 辐 射 状 结 构，而 Ｋ－１１００ 纤 维 的 横 截 面 主 要 是径向辐射状结 构，因 此 在 高 温 热 处 理 过 程 中 很 容 易
发生劈裂。
图１ 不同型号高导热中间相沥青基炭纤维的 ＦＥＳＥＭ 照片
３．１ 微 观 分 析 目前，美国 Ａｍｏｃｏ公司和日本 Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ公司开
发研制的高热导率中间相沥青基炭纤维走在世界的前
沿 ，已 开 发 了 具 有 高 导 热 率 的 连 续 、短 切 、磨 碎 炭 纤 维 。
Ａｍｏｃｏ公司生产的部分 商 业 化 产 品 性 能 如 表 １ 所 示， 从表１中可以看出中间相沥青基炭纤维的密度和热导 率较高，电 阻 率 较 低。 纤 维 的 密 度 越 大，其 电 阻 率 越
而且石墨层片平 行 于 带 状 纤 维 主 表 面，非 常 有 利 于 声
子 的 传 播，其 导 热 率 可 能 会 因 此 得 到 进 一 步 的 提 高。
以此带状纤维为 基 体 材 料，在 其 表 面 均 匀 喷 涂 适 量 中
间相沥青粘接 剂 后 采 用 热 压 成 型 工 艺 制 备 了 炭／炭 复
表 １ 高 导 热 中 间 相 沥 青 基 炭 纤 维 的 性 能 ［１１］ Ｔａｂｌｅ １ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈ－ｂａｓｅｄ ｃａｒｂｏｎ
１８０６
２０１１ 年 第 １０ 期 （４２）卷
高导热中间相沥青基炭纤维的微观结构分析＊
袁 观 明１，李 轩 科１，董 志 军１，周 婧１，崔 正 威１，从 野１，张 中 伟２，王 俊 山２
（１．武汉科技大学 化学工程与技术学院，湖北 武汉 ４３００８１；２．航天材料及工艺研究所，北京 １０００７６）
１ 引 言
中间相沥青基炭纤维由于其石墨晶体结构沿纤维 轴 高 度 择 优 取 向 ，具 有 较 低 的 电 阻 率 和 极 高 的 导 热 率 ， 因而常被用作高导热 Ｃ／Ｃ 复 合 材 料 理 想 的 增 强 体，在 航 空 、航 天 、核 能 等 领 域 的 热 管 理 系 统 中 得 到 广 泛 的 应 用 。 ［１－４］ 如美国 Ａｍｏｃｏ 公 司 生 产 的 牌 号 为 Ｋ－１１００ 圆 形截面中间 相 沥 青 基 炭 纤 维 的 室 温 轴 向 热 导 率 高 达 １１００Ｗ／（ｍ·Ｋ），加 上 其 负 的 热 膨 胀 系 数，高 模 量，低 密度，使其特别 适 合 于 制 成 高 导 热 及 尺 寸 稳 定 或 热 膨 胀 系 数 匹 配 的 复 合 材 料 ，广 泛 用 于 卫 星 、导 弹 及 航 空 电 子装置散热板印刷电路衬板等场合。大型电子计算机 ＣＰＵ 及许多民 用 电 子 装 置 如 果 能 使 用 这 种 材 质 散 热 板，无疑会大大提高效率 。 ［５－７］ 但 是 国 外 对 中 间 相 沥 青 基炭纤维的制 备 技 术 和 实 验 工 艺 高 度 保 密，而 且 对 我 国 实 行 长 期 禁 售 政 策 ，加 上 生 产 此 类 材 料 的 工 艺 复 杂 ， 成本较高，这使 得 我 国 在 高 导 热 中 间 相 沥 青 基 炭 纤 维 及其复合材料的研究方面还与国外存在一些差距。目 前，国内有许多 科 研 单 位 在 研 发 中 间 相 沥 青 基 炭 纤 维 及其产品，但是 真 正 能 够 稳 定 化 小 批 量 制 备 这 种 高 性 能 纤 维 的 并 不 多 见 ，而 且 相 关 的 研 究 报 道 非 常 少 ，仅 有 一些综述 性 文 章 提 及 。 ［２，８－１０］ 因 此 有 必 要 对 国 外 高 导 热中间相沥青基炭纤维的微观结构和形貌进行分析，
Ｆｉｇ １ＦＥＳＥＭ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈ ｂａｓｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ 以萘系中间相沥青为原料制备的圆形截面中间相 如图２（ａ）所示，这 与 其 横 截 面 主 要 是 径 向 辐 射 状 或 褶 沥青基炭纤维（直径约为１８～２５μｍ）也存在劈裂现象， 皱辐射状结构有关。 １６００℃高温炭化处 理 后 的 纤 维 大 部 分 形 成 劈 裂 结 构，
构 ，石 墨 层 片 间 距 约 为 ０．３３７ｎｍ，接 近 于 理 想 石 墨 晶 体 的 层 间 距 ０．３３５ｎｍ。 这 说 明 带 状 纤 维 内 部 石 墨 晶 体 生 长更加完 善，石 墨 层 片 取 向 程 度 更 高。 美 国 Ｃｌｅｍｓｏｎ 大学 Ｅｄｉｅ研 究 团 队 制 备 的 宽 度 为 ２０～３０μｍ 的 中 间 相沥 青 基 带 状 石 墨 纤 维 的 室 温 热 导 率 高 达 ８００～ ９００Ｗ／（ｍ·Ｋ）［１２］，我 们 制 备 的 带 状 石 墨 纤 维 的 截 面 积更大，其石墨 晶 体 尺 寸 较 大，晶 界 和 缺 陷 相 对 较 少，
图１为３种牌 号 中 间 相 沥 青 基 炭 纤 维 的 ＦＥＳＥＭ 照片。从低倍照片中可以发现这几种炭纤维的直径大
小 和 分 布 都 非 常 均 匀，Ｐ－５５ 的 直 径 大 小 约 为 ７～
１１μｍ，Ｐ－１００的直径 大 小 约 为 ８～１０μｍ，Ｋ－１１００ 的 直 径大小约为６～８μｍ，但 是 Ｋ－１１００ 纤 维 大 部 分 发 生 轴 向 劈 裂 形 成 楔 形 结 构 ，而 其 它 ２ 种 纤 维 没 有 发 生 劈 裂 ，
取向程度较 Ｋ－１１００纤 维 要 明 显 一 些。 从 图 ３ Ｋ－１１００ 圆形 石 墨 纤 维 和 ３０００℃ 石 墨 化 带 状 纤 维 的 ＨＲＴＥＭ 照 片 可 以 进 一 步 看 出 ，带 状 纤 维 石 墨 化 后 微 晶 较 大 ，其
内部晶格条纹排 列 很 规 整，是 一 种 长 程 有 序 的 晶 体 结
图２ 实验室自制中间相沥青基圆形炭纤维和带状石墨纤维的 ＦＥＳＥＭ 照片 Ｆｉｇ ２ＦＥＳＥＭ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈ－ｂａｓｅｄ ｒｏｕｎｄ ｓｈａｐｅ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒｓ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｅｄ ａｔ １６００℃ ａｎｄ ｒｉｂｂｏｎ－
ｓｈａｐｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄ ｆｉｂｅｒ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｅｄ ａｔ ３０００℃
ｆｉｂｅｒｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ［１１］
物理性能
Ｐ－５５ Ｐ－１００ Ｐ－１２０ Ｋ－１１００
密度（ｇ／ｃｍ３） １．９０ ２．１６ ２．１７ ２．２０
电阻率 （μ! ·ｍ） ８．５ ２．２～２．５ ２．０～２．２ １．１～１．３ 热导率（Ｗ／（ｍ·Ｋ）） １２０ ５２０ ６４０ ９００～１１００
摘 要 ： 中 间 相 沥 青 基 炭 纤 维 具 有 低 电 阻 、高 导 热 特 性，是目前最具发 展 前 景 的 功 能 型 导 热、散 热 材 料，但
是国内对其微观结构和性能的研究报道较少。对国外
高导热中间相沥青基炭纤维的微观结构和形貌进行了
分析，同时将实 验 室 研 发 的 不 同 截 面 形 状 中 间 相 沥 青
合 材 料 ，石 墨 化 后 炭／炭 复 合 材 料 的 体 积 密 度 达 到１．８１ ｇ／ｃｍ３，沿纤维轴向电阻率低于 １．５μ ! ·ｍ，室 温 轴 向 热导率高达６００Ｗ／（ｍ·Ｋ）。 可 见 单 根 带 状 石 墨 纤 维 的轴向电阻率应 该 比 复 合 材 料 更 低，由 高 度 取 向 中 间
相 沥 青 基 带 状 炭 纤 维 热 导 率 和 电 阻 率 的 计 算 关 系 （λ＝ １２６１／κ）［１５］知带状石墨纤维的 轴 向 热 导 率 高 于 ８４０Ｗ／ （ｍ·Ｋ）。另外由 单 向 纤 维 增 强 复 合 材 料 的 热 导 率 计
２０１１ 年 第 １０ 期 （４２）卷
算方法并考虑到 成 型 工 艺、沥 青 用 量 和 界 面 多 个 因 素 的影 响，推 测 单 根 带 状 石 墨 纤 维 （体 积 密 度 为 ２．１ｇ／ ｃｍ３）的 轴 向 热 导 率 肯 定 高 于 ８００Ｗ／（ｍ·Ｋ）。
图３ Ｋ－１１００ 和 ３０００℃ 石 墨 化 纤 维 带 的 ＨＲＴＥＭ 照
片 Ｆｉｇ ３ＨＲＴＥＭ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ Ｋ－１１００ａｎｄ ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄ ｆｉｂｅｒ
收 到 初 稿 日 期 ：２０１１－０１－２８
收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１１－０４－０８
通 讯 作 者 ：李 轩 科
作 者 简 介 ：袁 观 明 （１９７８－ ），男 ，湖 北 咸 宁 人 ，博 士 生 ，师 承 李 轩 科 教 授 ，从 事 新 型 炭 材 料 研 究 。
袁观明 等：高导热中间相沥青基炭纤维的微观结构分析
同时将最近研发的圆形截面和带状截面中间相沥青基 炭纤维的微观结 构 进 行 比 较，为 国 内 研 究 同 行 提 供 一 些参考。
２ 实 验
采用 ＮＯＶＡ４００ ＮＡＮＯ 型 场 发 射 扫 描 电 子 显 微 镜和ＪＥＭ２１００Ｆ 型 透 射 电 子 显 微 镜 观 察 美 国 Ａｍｏｃｏ 公司和我们生产的中间相沥青基炭纤维的微观结构和
基炭纤维进行比较。研究结果表明中间相沥青基炭纤
维具有的高导热特性源于其内部三维有序堆积的类石
墨层状Fra Baidu bibliotek构和较为完整生长的石墨晶体。热处理温度
越高，其类石墨 晶 体 生 长 越 完 善，层 片 取 向 程 度 越 高。
与圆形截面辐射 状 结 构 中 间 相 沥 青 炭 纤 维 相 比，带 状
截面炭纤维有效 解 决 了 劈 裂 问 题，其 石 墨 片 层 间 距 为
这可能与 Ｋ－１１００纤维经过 ３０００℃ 高 温 石 墨 化 处 理 其 内部石墨晶体的生长和取向不同形成应力集中有关。
从对应放大照片 中 可 以 明 显 看 出，这 几 种 纤 维 内 部 石
＊ 基金项目：国家自然科学基金重大研究计划重点资助项目（９１０１６００３）；武汉科技大学科学基金资助项目（２００８ＴＤ０６）
１８０８
但是制备的带状截面中间相沥青基炭纤维则不存 在劈裂问题，如 图 ２（ｂ）所 示，３０００℃ 高 温 石 墨 化 带 状 纤维 没 有 发 生 褶 皱、扭 曲 或 劈 裂 现 象，其 表 面 光 洁 平
整，截面宽度约为 １ｍｍ，厚度均匀，约为 １０μｍ，是一般 市售圆形中 间 相 沥 青 基 炭 纤 维 （≈１０μｍ）截 面 积 的 １００倍，属于超宽带状 纤 维，而 且 带 状 纤 维 内 部 石 墨 晶 体 发 育 完 整 ，石 墨 层 片 平 行 于 带 状 纤 维 主 表 面 ，其 晶 体
形貌。并采 用 Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｘ′ＰＥＲＴ ＭＰＤ ＰＲＯ 型 转 靶 Ｘ 射线衍射仪对中 间 相 沥 青 基 炭 纤 维 进 行 物 相 分 析，以 ＣｕＫα为辐射源，管 电 压 为 ４０ｋＶ，管 电 流 为 ３０ｍＡ，根 据 Ｓｃｈｅｒｒｅｒ公式计算炭纤维的平均微晶尺寸（如 Ｌｃ）。
３ 结 果 与 讨 论
墨 晶 体 的 生 长 发 育 程 度 不 一 样 ，呈 依 次 增 大 的 趋 势 ，这 可能与纤维的 最 终 热 处 理 温 度 有 关，３０００℃ 热 处 理 纤 维（Ｋ－１１００）内部石墨 晶 体 生 长 发 育 最 为 完 整。 此 外， 这 几 种 纤 维 横 截 面 处 石 墨 晶 体 的 取 向 也 不 一 样 ，Ｐ－５５、
０．３３７ｎｍ，层片堆积高度达到 ２６．７７ｎｍ，轴向 热 导 率 高
于 ８００Ｗ／（ｍ·Ｋ）。
关 键 词 ： 高 导 热 ；中 间 相 沥 青 基 炭 纤 维 ；微 观 结 构
中 图 分 类 号 ： ＴＢ３４；ＴＢ３８３
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１００１－９７３１（２０１１）１０－１８０６－０４
１８０７
Ｐ－１００ 这 ２ 种 纤 维 的 圆 形 截 面 中 部 以 片 层 状 结 构 为 主，周 边 是 辐 射 状 结 构，而 Ｋ－１１００ 纤 维 的 横 截 面 主 要 是径向辐射状结 构，因 此 在 高 温 热 处 理 过 程 中 很 容 易
发生劈裂。
图１ 不同型号高导热中间相沥青基炭纤维的 ＦＥＳＥＭ 照片
３．１ 微 观 分 析 目前，美国 Ａｍｏｃｏ公司和日本 Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ公司开
发研制的高热导率中间相沥青基炭纤维走在世界的前
沿 ，已 开 发 了 具 有 高 导 热 率 的 连 续 、短 切 、磨 碎 炭 纤 维 。
Ａｍｏｃｏ公司生产的部分 商 业 化 产 品 性 能 如 表 １ 所 示， 从表１中可以看出中间相沥青基炭纤维的密度和热导 率较高，电 阻 率 较 低。 纤 维 的 密 度 越 大，其 电 阻 率 越
而且石墨层片平 行 于 带 状 纤 维 主 表 面，非 常 有 利 于 声
子 的 传 播，其 导 热 率 可 能 会 因 此 得 到 进 一 步 的 提 高。
以此带状纤维为 基 体 材 料，在 其 表 面 均 匀 喷 涂 适 量 中
间相沥青粘接 剂 后 采 用 热 压 成 型 工 艺 制 备 了 炭／炭 复