PAN基碳纤维与中间相沥青基碳纤维的导热性能

背景介绍  

按照原料来源，碳纤维可以分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维以及黏胶基碳纤维，其中PAN基碳纤维产量占碳纤维90%以上，其次是沥青基碳纤维约占6-8%，黏胶基碳纤维产量最低。

沥青基碳纤维又可分为通用级沥青基碳纤维和高性能沥青基碳纤维，前者一般为短丝，多用于隔热保温材料，而后者是由中间相沥青经纺丝、不熔化、预氧化、炭化及石墨化处理制备得到一种连续丝束状碳纤维，因此又称为中间相沥青基碳纤维（MPCF）。

MP基碳纤维具有拉伸模量高、热膨胀系数小、热导率高、耐冲击性好等优点，高模量沥青基碳纤维模量最高可达930GPa是PAN基高模碳纤维模量的1.5倍，使用沥青制取碳纤维的炭化收率高达80%～90%。鉴于中间相沥青基碳纤维优异的性能，其在航空航天、国防工业、尖端科技等领域有着广阔的应用前景。

碳纤维材料的导热性能  

碳纤维依靠独特性能优势，已经在航空航天领域获得广泛应用，而在航空航天领域，目前现代飞机的航行最高时速已达到音速的2.7倍以上，如此快的超音速飞行使飞机与空气摩擦而产生大量的热，要求材料必须具有高的导热能力。

而在电子产品领域，材料导热必要性也十分突出，由于机械加工不可能做出理想化的平整面，因此CPU、芯片等与散热器之间存在很多沟壑或空隙，因空气是热的不良导体，空气间隙会严重影响散热效率，使散热器的性能大打折扣，甚至无法发挥作用。

用于表征碳纤维导热性能主要参数为导热系数（又称热导率或导热率），它是指在稳态条件下，1m厚度材料，两侧表面温差为1K时，单位时间内通过1㎡面积传递的热量。我国法定单位为W/(m·K)。

PAN基碳纤维与中间相沥青基碳纤维导热系数对比如下图1所示。从中可以看出，MP基碳纤维拉伸模量、导热系数等均远远高于PAN基碳纤维，其中MP基碳纤维导热系数最高可达1100W/(m·K)，而M55J级PAN基高模量碳纤维也才仅仅155.7W/(m·K)，但是拉伸强度方面MP基碳纤维却不具有优势。

图1 PAN基碳纤维及MP基碳纤维导热系数对比

影响碳纤维导热性能的结构因素

本公众号前面文章探讨了微观缺陷结构对力学性能影响，微观结构影响碳纤维导电性能，与前面介绍相同，在碳纤维领域，微观结构制约纤维宏观性能是不变的真理，PAN基碳纤维与MP基碳纤维在导热性能差距也是源自于两种纤维内部微观结构差异。

PAN基碳纤维与MP基碳纤维制备过程中结构演变如图2所示，其中左图下方为宁波材料所实验室条件下研制的M65J级PAN基高模量碳纤维，拉伸模量达到620GPa，右图下方为日本三菱MP基碳纤维，拉伸模量为900GPa，两图是通过利用扫描电镜在相同检测条件下测试得到。除了截面结构显著差异，相同放大倍数下，MP基碳纤维直径要明显高于PAN基碳纤维直径。

图2 PAN基及MP基碳纤维制备时微观结构转变过程（左）宁波材料所国产M65J级PAN基碳纤维（右）日本三菱K13C2U型MP基碳纤维

从图1中可以看出PAN基高模碳纤维与MP基碳纤维截面结构存在明显差距，由于中间相沥青易石墨化，经过石墨化处理后纤维截面呈现明显的石墨片层结构，如图3所示，弯弯曲曲片层褶皱十分明显。

图3 MP基碳纤维截面明显的石墨片层结构

由于PAN难石墨化，因此石墨化制备PAN基高模量碳纤维截面结构较为无序，其结构模型也很难确定，但是其本质还是一种由石墨微晶组成的片层堆积结构。

由于原丝纺丝及预氧化过程中双扩散会导致PAN基碳纤维表层与芯部存在一定结构差异，有学者提出一种三维空间结构模型，其结构示意图如图4所示，在该结构模型中，碳纤维表层和芯层在微晶密度和排序放面存在着显著差异，因此也称作皮芯结构模型。

图4 PAN基碳纤维皮芯结构模型

由于中间相沥青在高温环境下易于石墨化，随着处理温度提升，沥青纤维内部石墨结构逐渐完善，而经过2200℃以上高温石墨化处理后，沥青基碳纤维石墨片层可沿轴向排列，从而保证了纤维具有优异的导热性能，而对于PAN基碳纤维而言石墨片层结构不完善，存在一定微晶缺陷，致使导热性能较差。

虽然PAN基碳纤维导热系数与MP基碳纤维相比存在明显差距，但是M55J级PAN基高模碳纤维导热系数已经达到155W/(m·K)，与一些金属及铝合金等材料的导热性相当（如图5所示）。

图4 M55J级高模碳纤维与金属材料导热系数对比，单位：W/(m·K)

由于MP基碳纤维生产难度及成本都要明显高于PAN基碳纤维，而且PAN基碳纤维在拉伸强度等方面具有明显优势，因此在一些强调构件结构性与功能性兼备的需求下，不妨试用M55J级碳纤维增强金属基复合材料。

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