CF/SiO2/MVQ導熱復合材料研究*

李 波，王 鐸

（陜西理工大學材料學院，陜西漢中723001）

碳纖維(CF)含碳量超過90%，具有高比強度、高比模量、耐高溫、抗化學腐蝕、耐輻射、抗疲勞、抗蠕變、導熱、導電等一系列優良性能，并具有柔曲性和可繞性等纖維特有的性能，被廣泛應用于復合材料領域[1～3]。其縱向導熱率可達到(50～6000)W/m·K，可在較低含量下較好地增強基體材料的導熱性，因此被廣泛用于各種導熱復合材料的制備[4～5]，但隨著碳纖維的增加，復合材料的機械性能也會相應地降低，于是人們開發出了很多復合填料來應對這個問題，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，本實驗以碳纖維與增強填料白炭黑（SiO2）混合填充甲基乙烯基硅橡膠（MVQ），然后對其力學性能和熱性能進行分析。

1 實驗部分

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 實驗儀器

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

1.3 樣品制備

按表1配方，將開煉機輥距調整到合適的距離，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，調整輥距，粗通1 min。

將混煉均勻的膠料放在平板硫化機上，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進行二段硫化得到樣品。

表1 CF/SiO2/MVQ導熱復合材料配方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，等到指針達到最大值時迅速記錄硬度數值，更換位置繼續以上操作，得到5組數值后取平均值就得到了最終數值。

（2）拉伸性能

采用制樣機制備長100 mm、中間寬4 mm、厚度為3mm的啞鈴型樣條，然后以30mm為原始標距，以3 mm/s的速度開始拉伸，直到樣條斷裂后得到數據，每個樣品重復三次，最后取平均值。

（3）導熱性能

打開迅速熱傳導率儀，預熱30min后，設定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后快速記錄數據，每個樣品重復測試三次，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，等待其預熱15 min后設置電壓為10kV，放入樣品后抽真空后開始放電拍照。

2 結果與討論

2.1 硬度

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

圖1 CF含量對CF/SiO2/MVQ導熱復合材料硬度的影響Fig.1 Effect of CF content on the hardness of CF/SiO2/MVQ thermal composites

2.2 拉伸強度和斷裂伸長率

從圖2中可以看出，當復合填料中CF的比例為0時，硫化膠拉伸強度為4.39MPa，斷裂伸長率為271.76%，隨著復合填料中碳纖維比例的增大，硫化膠的拉伸強度和斷裂伸長率均逐步降低，當填料全部為碳纖維時，硫化膠的拉伸強度和斷裂伸長率分別降低83.15%和53.19%，達到最小值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效果較差。

圖2 CF含量對CF/SiO2/MVQ導熱復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，當填料中沒有碳纖維時，硫化膠斷面平整，結構緊密，沒有明顯缺陷；當填料中有25%的碳纖維時，硫化膠斷面開始出現少量的空隙和孔洞，碳纖維與硫化膠的聯結較為緊密，在拉伸過程中碳纖維無法自由移動，但明顯取向；當填料中碳纖維的比例增加到50%時，硫化膠出現了明顯的分層現象，缺陷增多，同時碳纖維的取向程度下降；當碳纖維的比例上升到75%時，硫化膠斷面上則開始出現大量缺陷，并出現明顯的破碎，碳纖維有序性進一步降低，并在硫化膠內部出現大量空隙；當填料全部為碳纖維時，硫化膠斷面上碳纖維呈現出完全無序的排列，并且硫化膠被嚴重割裂，內部出現大量空隙和缺陷。

圖3 CF含量對CF/SiO2/MVQ導熱復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 導熱系數

由圖4可以看出，當復合填料中碳纖維的比例為0%時，硫化膠的導熱系數為0.2422 W/m·K，隨著碳纖維比例的增加，硫化膠的導熱系數不斷增加，直到碳纖維比例達到75%時增加74.56%，達到最大值0.4228 W/m·K，但隨著復合填料中碳纖維比例的繼續增加，硫化膠的導熱系數開始降低，直到填料全部為碳纖維時，硫化膠的導熱系數降低至0.3415 W/m·K，由此可以看出，復合填料中的碳纖維比例為75%時最佳。

圖4 CF含量對CF/SiO2/MVQ導熱復合材料導熱系數的影響Fig .4 Effect of CF content on thermal conductivity of CF/SiO2/MVQ thermal conductive composites

3 結論

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

（2） 隨著碳纖維含量的增加，硫化膠的力學性能不斷降低，碳纖維在復合填料中比例從0%達到100%，其硬度降低31.25%，拉伸強度降低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變為無序排列，膠體逐漸被割裂，出現大量空隙、破碎以及其他缺陷。