【摘 要】
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功率密度的大幅增加,使得集成电路单位面积的热量持续升高,热管理系统作为航天电子大功率器件的重要组成部分,成为制约高速飞行器服役能力的关键技术。石墨膜（GF）是一种新型高导热二维材料,具有较低的密度、良好的耐腐蚀性、较高的热导率和较低的热膨胀系数等优点,其面内热导率可以达到1100-1600W/（m·K）,被认为是未来最具潜力的热管理用复合材料增强体。本论文主要研究碳纳米管（CNTs）表面改性石墨膜
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功率密度的大幅增加,使得集成电路单位面积的热量持续升高,热管理系统作为航天电子大功率器件的重要组成部分,成为制约高速飞行器服役能力的关键技术。石墨膜（GF）是一种新型高导热二维材料,具有较低的密度、良好的耐腐蚀性、较高的热导率和较低的热膨胀系数等优点,其面内热导率可以达到1100-1600W/（m·K）,被认为是未来最具潜力的热管理用复合材料增强体。本论文主要研究碳纳米管（CNTs）表面改性石墨膜和碳化硅纳米线（SiCnws）表面改性石墨膜两种多尺度复合增强体;并以此为基础,采用压力浸渗技术,以轻质、高导热金属铝为基体,分别以GF、CNTs-GF和SiCnws-GF为增强体,制备GF/Al、CNTs-GF/Al和SiCnws-GF/Al三种高导热铝基层状复合材料,以期获得兼具高导热和优异力学性能的新型二维层状复合材料。系统研究两种改性石墨膜制备和微观结构,以及两种改性石墨膜/铝层状复合材料的显微组织、力学行为及导热性能,基于复合材料XY方向热导率模型揭示复合材料的传热行为。探讨复合材料的材料组成、界面结合等对复合材料力学性能及导热性能的影响及规律。采用催化剂辅助等离子增强化学气相沉积（PECVD）技术在石墨膜表面原位生长碳纳米管,以甲烷为碳源,氢气为还原剂,金属镍为催化剂,成功制备得到CNTs-GF多尺度复合增强体。研究不同工艺条件对CNTs形貌和结构的影响。研究发现,PECVD法在石墨膜表面生长CNTs的最佳催化剂浓度为0.05mol/L的Ni（NO3）2·6H2O丙酮溶液。得到的CNTs直径约80nm,长度约3-4μm,均匀、致密地生长在石墨膜表面。CNTs在石墨膜表面的生长,使CNTs-GF在XY方向的热扩散系数和热导率均有所提高,热扩散系数由950mm2/s增加到1030mm2/s,热导率由1420W/（m·K）增加到1450W/（m·K）。以甲基三氯硅烷（CH3SiCl3）为硅源和碳源,金属镍为催化剂,在石墨膜表面采用催化剂辅助化学气相渗透（CVI）工艺生长碳化硅纳米线,成功制备SiCnws-GF多尺度复合增强体。石墨膜表面生长的SiCnws直径约150nm,长度约几十微米,此时SiCnws均匀、致密地覆盖在石墨膜表面。与原始石墨膜相比,SiCnws-GF复合增强体XY方向的热扩散系数和热导率有所降低。研究结果表明,相同增强体质量分数条件下,CNTs-GF/Al复合材料XY方向的热导率为1026W/（m·K）,与GF/Al复合材料相比提高了33%,Z方向的热导率为52W/（m·K）,较GF/Al复合材料提高了225%;CNTs-GF/Al复合材料层间剪切强度为70.3MPa,与GF/Al复合材料相比提高了26%。相近增强体质量分数条件下,与GF/Al复合材料相比,SiCnws-GF/Al复合材料XY方向的热导率提高7%,Z方向的热导率提高75%;SiCnws-GF/Al复合材料层间剪切强度提高141%。结果表明,石墨膜表面CNTs和SiCnws的原位引入,有效解决了石墨膜与金属铝界面相容性差的问题。在复合材料界面处一维纳米线在石墨膜与铝基体之间起到界面“钉扎”作用,在提高界面结合强度的同时又传递了载荷。因此石墨膜表面改性可以有效改善石墨膜/铝复合材料的界面结合性能,从而提升复合材料的导热性能和层间剪切强度。
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