CF/SiO2/MVQ導(dǎo)熱復(fù)合材料研究*

李 波，王 鐸

（陜西理工大學(xué)材料學(xué)院，陜西漢中723001）

碳纖維(CF)含碳量超過90%，具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、耐輻射、抗疲勞、抗蠕變、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等一系列優(yōu)良性能，并具有柔曲性和可繞性等纖維特有的性能，被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域[1～3]。其縱向?qū)崧士蛇_(dá)到(50～6000)W/m·K，可在較低含量下較好地增強(qiáng)基體材料的導(dǎo)熱性，因此被廣泛用于各種導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備[4～5]，但隨著碳纖維的增加，復(fù)合材料的機(jī)械性能也會相應(yīng)地降低，于是人們開發(fā)出了很多復(fù)合填料來應(yīng)對這個問題，并在此之上取得了一定的成果[6-12]，但對硅橡膠方面的研究尚有不足，本實(shí)驗(yàn)以碳纖維與增強(qiáng)填料白炭黑（SiO2）混合填充甲基乙烯基硅橡膠（MVQ），然后對其力學(xué)性能和熱性能進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

沉淀法白炭黑，110-2甲基乙烯基硅橡膠，短切碳纖維，雙二五（2,5-二甲基-2,5-雙（過氧化叔丁基)己烷）。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

天津泰斯特儀器有限公司生產(chǎn)的WGL-125B型鼓風(fēng)干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司生產(chǎn)的XK160-320型橡膠開煉機(jī)，昆山科瑞特試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的GLB-25T型平板硫化機(jī)，樂清市艾德堡儀器有限公司生產(chǎn)的LX-A型硬度計，長春智能儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LDS-500型電子拉力試驗(yàn)機(jī)，日本京都電子工業(yè)株式會社生產(chǎn)的QTM-500型迅速熱傳導(dǎo)率儀，揚(yáng)州市道純試驗(yàn)機(jī)械廠生產(chǎn)的CP-25-Ⅱ型制樣機(jī)，日本電子株式會社生產(chǎn)的JSM-6390LV型掃描電鏡。

1.3 樣品制備

按表1配方，將開煉機(jī)輥距調(diào)整到合適的距離，然后加入甲基乙烯基硅橡膠生膠，等待生膠包輥后再逐步加入填料，等待填料和生膠混合均勻后再加入硫化劑雙二五，混煉 5min后取下，調(diào)整輥距，粗通1 min。

將混煉均勻的膠料放在平板硫化機(jī)上，在170℃、4 MPa下硫化15 min后得到CF/SiO2/MVQ硫化膠，然后將其放置在200℃下的烘箱中4 min進(jìn)行二段硫化得到樣品。

表1 CF/SiO2/MVQ導(dǎo)熱復(fù)合材料配方Table 1 The formula of CF/SiO2/MVQ thermally conductive composite

1.4 測試與表征

（1）硬度

先將硬度儀調(diào)試校零，然后將硬度儀置于片狀試樣距離邊緣5 mm以上的平坦表面上，垂直用力按壓硬度儀，觀察硬度儀上指針變化，等到指針達(dá)到最大值時迅速記錄硬度數(shù)值，更換位置繼續(xù)以上操作，得到5組數(shù)值后取平均值就得到了最終數(shù)值。

（2）拉伸性能

采用制樣機(jī)制備長100 mm、中間寬4 mm、厚度為3mm的啞鈴型樣條，然后以30mm為原始標(biāo)距，以3 mm/s的速度開始拉伸，直到樣條斷裂后得到數(shù)據(jù)，每個樣品重復(fù)三次，最后取平均值。

（3）導(dǎo)熱性能

打開迅速熱傳導(dǎo)率儀，預(yù)熱30min后，設(shè)定I2=2.000，初始溫度為23℃，將電阻絲放置在降溫塊上降溫，等到溫度降至23℃時，將電阻絲放在平坦的片狀試樣表面，等到1min后快速記錄數(shù)據(jù)，每個樣品重復(fù)測試三次，最后取平均值。

（4）掃描電鏡（SEM）

將試樣斷面朝上粘貼在載物臺上，然后在其上噴金，打開掃描電鏡主機(jī)，等待其預(yù)熱15 min后設(shè)置電壓為10kV，放入樣品后抽真空后開始放電拍照。

2 結(jié)果與討論

2.1 硬度

由圖1可以看出，當(dāng)復(fù)合填料中碳纖維的比例為0%時，硫化膠的硬度為80，隨著復(fù)合填料中碳纖維比例的增加，硫化膠的硬度逐漸降低，當(dāng)填料全部為碳纖維時，其硫化膠硬度降低31.25%，達(dá)到最低值55，碳纖維與甲基乙烯基硅橡膠之間的結(jié)合不如白炭黑緊密，對硅橡膠的增強(qiáng)不如白炭黑。

圖1 CF含量對CF/SiO2/MVQ導(dǎo)熱復(fù)合材料硬度的影響Fig.1 Effect of CF content on the hardness of CF/SiO2/MVQ thermal composites

2.2 拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率

從圖2中可以看出，當(dāng)復(fù)合填料中CF的比例為0時，硫化膠拉伸強(qiáng)度為4.39MPa，斷裂伸長率為271.76%，隨著復(fù)合填料中碳纖維比例的增大，硫化膠的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均逐步降低，當(dāng)填料全部為碳纖維時，硫化膠的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別降低83.15%和53.19%，達(dá)到最小值0.74MPa和129.95%，由此可以看出，相較于白炭黑，碳纖維對甲基乙烯基硅橡膠的增強(qiáng)效果較差。

圖2 CF含量對CF/SiO2/MVQ導(dǎo)熱復(fù)合材料拉伸性能的影響Fig.2 Effect of CF content on tensile properties of CF/SiO2/MVQ thermal composites

2.3 微觀形貌

由圖3可以看出，當(dāng)填料中沒有碳纖維時，硫化膠斷面平整，結(jié)構(gòu)緊密，沒有明顯缺陷；當(dāng)填料中有25%的碳纖維時，硫化膠斷面開始出現(xiàn)少量的空隙和孔洞，碳纖維與硫化膠的聯(lián)結(jié)較為緊密，在拉伸過程中碳纖維無法自由移動，但明顯取向；當(dāng)填料中碳纖維的比例增加到50%時，硫化膠出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，缺陷增多，同時碳纖維的取向程度下降；當(dāng)碳纖維的比例上升到75%時，硫化膠斷面上則開始出現(xiàn)大量缺陷，并出現(xiàn)明顯的破碎，碳纖維有序性進(jìn)一步降低，并在硫化膠內(nèi)部出現(xiàn)大量空隙；當(dāng)填料全部為碳纖維時，硫化膠斷面上碳纖維呈現(xiàn)出完全無序的排列，并且硫化膠被嚴(yán)重割裂，內(nèi)部出現(xiàn)大量空隙和缺陷。

圖3 CF含量對CF/SiO2/MVQ導(dǎo)熱復(fù)合材料微觀形貌的影響Fig.3 Effect of CF content on the morphology of CF/SiO2/MVQ thermal composites

2.4 導(dǎo)熱系數(shù)

由圖4可以看出，當(dāng)復(fù)合填料中碳纖維的比例為0%時，硫化膠的導(dǎo)熱系數(shù)為0.2422 W/m·K，隨著碳纖維比例的增加，硫化膠的導(dǎo)熱系數(shù)不斷增加，直到碳纖維比例達(dá)到75%時增加74.56%，達(dá)到最大值0.4228 W/m·K，但隨著復(fù)合填料中碳纖維比例的繼續(xù)增加，硫化膠的導(dǎo)熱系數(shù)開始降低，直到填料全部為碳纖維時，硫化膠的導(dǎo)熱系數(shù)降低至0.3415 W/m·K，由此可以看出，復(fù)合填料中的碳纖維比例為75%時最佳。

圖4 CF含量對CF/SiO2/MVQ導(dǎo)熱復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig .4 Effect of CF content on thermal conductivity of CF/SiO2/MVQ thermal conductive composites

3 結(jié)論

（1） 隨著碳纖維含量的增加，硫化膠中導(dǎo)熱率增加，碳纖維占復(fù)合填料總量的75%時導(dǎo)熱系數(shù)增加74.56%，達(dá)到最大值0.4228 W/m·K，然后逐步降低。

（2） 隨著碳纖維含量的增加，硫化膠的力學(xué)性能不斷降低，碳纖維在復(fù)合填料中比例從0%達(dá)到100%，其硬度降低31.25%，拉伸強(qiáng)度降低83.15%，斷裂伸長率降低53.19%。

（3）隨著碳纖維含量的增加，在硫化膠中逐漸由有序排列轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序排列，膠體逐漸被割裂，出現(xiàn)大量空隙、破碎以及其他缺陷。