碳基高導(dǎo)熱材料及其在航天器上的應(yīng)用

童葉龍，陶則超，李一凡，劉占軍，江利鋒，殷亞州

1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094 2. 空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094 3. 中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所，太原 030001

1 引言

碳基高導(dǎo)熱材料具有導(dǎo)熱系數(shù)高、性能穩(wěn)定(耐輻照、導(dǎo)熱性能隨外界環(huán)境的變化很小)、熱膨脹系數(shù)小、比重輕(只有金屬材料的20%～50%)等特性，是近年來(lái)最具發(fā)展前景的航天器熱管理材料之一。 本文討論的碳基高導(dǎo)熱材料主要為高導(dǎo)熱石墨擴(kuò)熱板、高導(dǎo)熱柔性石墨膜。

在航天器熱控系統(tǒng)中，高導(dǎo)熱材料主要用于為大功率元器件擴(kuò)熱與傳輸、設(shè)備均溫?cái)U(kuò)熱、結(jié)構(gòu)等溫化設(shè)計(jì)或作為機(jī)熱一體化結(jié)構(gòu)等。

針對(duì)高導(dǎo)熱石墨擴(kuò)熱板，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究[1-2]。日本科學(xué)家Murakai等以高度取向的聚酰亞胺薄膜為原料，經(jīng)過(guò)裁切、層疊、壓制、炭化、石墨化制得了導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)1 000 W/m·K以上的石墨塊狀材料，但該材料在高溫處理過(guò)程中由于較大的體積收縮容易開(kāi)裂，成品率極低，且尺寸的放大仍存在很大難度[3]。中科院山西煤炭化學(xué)研究所采用熱壓工藝制備了尺寸為Φ200 mm×3 mm的塊狀石墨材料，其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到600 W/(m·K)，但抗壓強(qiáng)度較小，表面易掉黑，限制了工程應(yīng)用。

針對(duì)高導(dǎo)熱柔性石墨膜的研發(fā)，目前主要采用兩條工藝路線(xiàn)，一是以雙向牽伸的聚酰亞胺薄膜為原料，通過(guò)裁切、碳化、石墨化制得了高導(dǎo)熱柔性石墨薄膜；二是以天然鱗片石墨為原料，通過(guò)化學(xué)氧化法或電化學(xué)法，制備出石墨層間化合物，后經(jīng)高溫?zé)崽幚碇频眯螒B(tài)似蠕蟲(chóng)或雪花狀的具有自粘結(jié)性能的膨脹石墨，經(jīng)壓延制得厚度可控的柔性石墨薄膜。……