導(dǎo)熱橡膠是側(cè)重導(dǎo)熱性能的一類橡膠基復(fù)合材料，用于航天航空制造與電子電器元件接觸的部件及需要散熱的場(chǎng)所。由于橡膠為熱和電的不良導(dǎo)體，為了制造具有優(yōu)良綜合性能的導(dǎo)熱材料，一般都采用高導(dǎo)熱性能的金屬或無(wú)機(jī)填料對(duì)橡膠進(jìn)行填充。對(duì)于填充型導(dǎo)熱橡膠，填料的熱導(dǎo)率、尺寸及其在基體中的分散狀況對(duì)橡膠制品的導(dǎo)熱性能影響較大。
    碳纖維是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為０．９以上的纖維狀碳材料。碳纖維及其復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、密度小和熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能，因此它既能作為結(jié)構(gòu)材料，又能作為功能材料，已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通、體育休閑用品、醫(yī)療、機(jī)械、紡織等各領(lǐng)域。由于填充熱導(dǎo)率高的填料是獲取高導(dǎo)熱有機(jī)基復(fù)合材料的常用方法之一，而碳纖維的熱導(dǎo)率高達(dá)２６Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１，因此為尋找導(dǎo)熱填料來(lái)提高橡膠導(dǎo)熱性能提供了可能的途徑。本工作選用碳纖維為導(dǎo)熱填料，研究碳纖維用量對(duì)碳纖維／順丁橡膠（ＢＲ）復(fù)合材料性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響。
    １　實(shí)驗(yàn)
    １．１　主要原材料
    ＢＲ，牌號(hào)９０００，中國(guó)石化上海高橋分公司產(chǎn)品；碳纖維，粒徑為４８μｍ，南京瑞迪森復(fù)合材料有限公司產(chǎn)品；防老劑ＲＤ，南京化學(xué)工業(yè)有限公司化工廠產(chǎn)品；防老劑ＭＢ，南京六合化工廠一廠產(chǎn)品；硬脂酸，上海連康明化工有限公司產(chǎn)品。
    １．２　基本配方
    ＢＲ?。保埃?，氧化鋅?。?，硬脂酸　１．５，防老劑ＲＤ?。?，防老劑ＭＢ?。?，硫黃?。玻担龠M(jìn)劑ＣＺ?。埃?，促進(jìn)劑ＤＭ?。埃?，碳纖維　變量。
    １．３　主要設(shè)備與儀器
    ＳＫ－１６０Ｂ型兩輥開煉機(jī)，上海橡膠機(jī)械廠產(chǎn)品；ＱＬＢ?。常担?times;３５０×２型２５ｔ平板硫化機(jī)，上海第一橡膠機(jī)械廠產(chǎn)品；ＭＤＲ－２０００型智能電腦型硫化儀，無(wú)錫市蠡園電子化工設(shè)備有限公司產(chǎn)品；
    ＣＭＴ５２５４型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司產(chǎn)品；邵氏Ａ 型硬度計(jì)，江蘇明珠試驗(yàn)機(jī)械有限公司產(chǎn)品；ＪＳＭ－５６１０ＬＶ 型掃描電子顯微鏡（ＳＥＭ），日本電子株式會(huì)社產(chǎn)品；ＴＳＰ２５００型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，瑞士Ｈｏｔ?。模椋螅牍井a(chǎn)品。
    １．４　試樣制備
    １．４．１　碳纖維的干燥處理
    將碳纖維置于１５０℃烘箱中烘４～５ｈ取出。
    １．４．２　碳纖維／ＢＲ復(fù)合材料的制備
    先在開煉機(jī)上加入ＢＲ并使之包輥后依次加入碳纖維、氧化鋅、硬脂酸、防老劑、促進(jìn)劑和硫黃等，填料初步分散后，進(jìn)行３次薄通打包，確保填料、助劑和ＢＲ混合均勻后從開煉機(jī)上取下膠料，在室溫下冷卻待用。
    試樣在平板硫化機(jī)上進(jìn)行硫化，硫化條件為１５０℃／１０ＭＰａ×２０ｍｉｎ。
    １．５　測(cè)試分析
    １．５．１　硫化特性
    硫化特性按ＧＢ／Ｔ?。梗福叮?mdash;１９９７《橡膠膠料硫化特性的測(cè)定（圓盤振蕩硫化儀法）》進(jìn)行測(cè)試，溫度設(shè)定為１５０℃。
    １．５．２　物理性能
    各項(xiàng)物理性能均按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。
    １．５．３　熱導(dǎo)率
    先將試樣制成厚度為１ｃｍ、直徑為６ｃｍ 的圓柱形，然后對(duì)試樣進(jìn)行熱導(dǎo)率測(cè)試。
    １．５．４?。樱牛?nbsp;分析
    將試樣在液氮中淬斷，斷面噴金后，觀察碳纖維在ＢＲ中的分散和界面結(jié)構(gòu)。
    ２　結(jié)果與討論
    ２．１　硫化特性碳纖維用量對(duì)碳纖維／ＢＲ 復(fù)合材料硫化曲線的影響如圖１所示。
           
       硫化初期轉(zhuǎn)矩先有一個(gè)下降的趨勢(shì)，這是由于混煉膠受熱軟化所致。隨著硫化時(shí)間的延長(zhǎng)，大分子鏈開始發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩逐漸增大。ＭＨ 可以反映硫化膠的最終硫化狀態(tài)。從圖１可以看出，隨著碳纖維用量的增大，復(fù)合材料的ＭＨ 明顯增大。當(dāng)碳纖維用量小于１００份時(shí)，隨著碳纖維用量的增大，復(fù)合材料的硫化速度基本呈增大趨勢(shì)；當(dāng)碳纖維用量大于１００份時(shí)，復(fù)合材料的硫化速度明顯變慢。這是由于碳纖維用量過大時(shí)，碳纖維在橡膠基體中不易分散均勻，膠料的粘度增大，流動(dòng)性能下降，因此硫化速度減緩。
      ２．２　門尼粘度
      碳纖維用量對(duì)碳纖維／ＢＲ 復(fù)合材料門尼粘度的影響如圖２所示。
         
       從圖２可以看出，隨著碳纖維用量的增大，復(fù)合材料的門尼粘度呈增大趨勢(shì)。當(dāng)碳纖維用量超過１００份時(shí)，復(fù)合材料的門尼粘度急速增大；當(dāng)碳纖維用量為１２５份時(shí)，復(fù)合材料的門尼粘度達(dá)到６３，說明碳纖維的高用量削弱了復(fù)合材料的加工性能。當(dāng)碳纖維用量過大時(shí)，膠料的粘度增大，混煉和硫化成型都較困難。因此從加工性能來(lái)看，碳纖維的用量不宜超過１２５份。
      ２．３　導(dǎo)熱性能
       碳纖維用量對(duì)碳纖維／ＢＲ 復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響如圖３所示。
           
      從圖３可以看出，隨著碳纖維用量的增大，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率明顯增大。當(dāng)碳纖維用量從０份增大到１２５份時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率由０．１９４　７Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１增大至０．５７２?。?nbsp;Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１，增加了１９３％。當(dāng)碳纖維用量小于５０份時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率增幅較大。這是由于導(dǎo)熱性能優(yōu)良的碳纖維填充橡膠基體后，當(dāng)達(dá)到某一填充量臨界值時(shí)，填料開始在ＢＲ中逐漸形成連續(xù)的導(dǎo)熱網(wǎng)鏈。隨著填料用量的不斷增大，填料堆積更加緊密，使得熱流通路得到加強(qiáng)。此時(shí)高導(dǎo)熱的填料在復(fù)合材料的熱導(dǎo)率中起主導(dǎo)作用，熱導(dǎo)率的增幅較大；當(dāng)填料用量繼續(xù)增大時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率增幅減小。這可能是由于碳纖維表面光滑，與橡膠基體的粘合性較差，當(dāng)填料用量過大時(shí)，填料在橡膠基體中的分散性變差，產(chǎn)生大量團(tuán)聚，此時(shí)增大碳纖維的用量對(duì)導(dǎo)熱網(wǎng)鏈的貢獻(xiàn)已不大，因此復(fù)合材料的熱導(dǎo)率增幅減小。
      Ｒａｙｌｅｉｇｈ分析了垂直于纖維方向上的熱障對(duì)體系導(dǎo)熱性能的影響，推導(dǎo)出纖維填充量與體系熱導(dǎo)率之間的關(guān)系［９］：
      λｃ＝λ１｜１－２Φ／（γ＋Φ－Ｃ１Φ２／γ－Ｃ２Φ２／γ）｜（１）
      式中，Ｃ１＝０．３０５?。福唬茫玻剑埃埃保常?；Φ為填料的體積分?jǐn)?shù)；λｃ為復(fù)合材料的熱導(dǎo)率；γ＝（λ１／λ２＋１）／（λ１／λ２－１），λ１ 和λ２ 分別為聚合物和填料的熱導(dǎo)率。
       根據(jù)Ｒａｙｌｅｉｇｈ模型公式，計(jì)算復(fù)合材料熱導(dǎo)率理論值λｃ。已知λ１ 和λ２ 分別為０．１９５和２６Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１，ＢＲ和碳纖維的密度分別為０．９８和１．７０Ｍｇ·ｍ－３。先根據(jù)ＢＲ和碳纖維的密度與填充質(zhì)量計(jì)算出Φ，然后代入公式（１）中計(jì)算得到λｃ。Ｒａｙｌｅｉｇｈ模型公式預(yù)測(cè)的λｃ 與試驗(yàn)所得的復(fù)合材料熱導(dǎo)率（λ）對(duì)比如表１所示。

       從表１可以看出，當(dāng)碳纖維用量不超過１２５份時(shí)，預(yù)測(cè)值λｃ 比實(shí)測(cè)值λ 略小，其偏差不超過１７％。說明Ｒａｙｌｅｉｇｈ模型公式可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出纖維狀填料／橡膠復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。
      與氧化鋁填充ＢＲ 膠料［１０］以及絹云母填充ＢＲ膠料［１１］相比，當(dāng)填料用量為１００份時(shí)，碳纖維／ＢＲ 復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為０．５２６?。叮?middot;（ｍ·Ｋ）－１，氧化鋁／ＢＲ 復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為０．４１９　０Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１，絹云母／ＢＲ復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為０．４３１?。?nbsp;Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１。由此可見，在相同填充量下，碳纖維提高橡膠的導(dǎo)熱性能效果最佳。這是由于纖維狀填料比粒狀和片層狀填料更易形成導(dǎo)熱鏈，從而增加了導(dǎo)熱通路［１２］。另外，碳纖維的密度明顯小于氧化鋁和絹云母，在相同用量下，碳纖維的體積分?jǐn)?shù)最大，更易產(chǎn)生堆積，因此碳纖維比氧化鋁和絹云母更易形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈。
       ２．４　物理性能
       碳纖維用量對(duì)碳纖維／ＢＲ 復(fù)合材料物理性能的影響如表２所示。
            
       從表２可以看出，隨著碳纖維用量的增大，復(fù)合材料的邵爾Ａ型硬度和拉伸強(qiáng)度逐漸增大，拉斷伸長(zhǎng)率、拉斷永久變形和撕裂強(qiáng)度均先增大后減小。當(dāng)碳纖維用量為１２５份時(shí)，復(fù)合材料的邵爾Ａ 型硬度達(dá)到７６ 度，比空白試樣提高了６８．９％；拉伸強(qiáng)度為２．０５ＭＰａ，比空白樣提高了７６．７％。拉斷伸長(zhǎng)率在碳纖維用量為２５份時(shí)達(dá)到最大值（２１９％）；撕裂強(qiáng)度在碳纖維用量為５０份時(shí)達(dá)到最大值，比空白試樣提高了１３３％。
       ２．５　微觀結(jié)構(gòu)
       不同用量的碳纖維填充ＢＲ膠料的ＳＥＭ 照片如圖４所示。

       從圖４可以看出，隨著碳纖維用量的增大，碳纖維在橡膠基體中堆積得越來(lái)越緊密。結(jié)合圖３以及氧化鋁填充ＢＲ膠料［１０］和絹云母填充ＢＲ膠料［１１］的ＳＥＭ 照片可知，在放大倍數(shù)相同的情況下，碳纖維粒子呈纖維狀，氧化鋁呈顆粒狀，絹云母呈片層狀，且碳纖維的長(zhǎng)徑比大于絹云母的徑厚比和氧化鋁的長(zhǎng)徑比，因此在相同用量下，碳纖維粒子之間更易形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈。當(dāng)填料用量均為５０份時(shí)，如圖４（ｃ）所示，碳纖維比氧化鋁和絹云母更易彼此接觸，形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈，此時(shí)碳纖維／ＢＲ復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為０．３７１?。担?middot;（ｍ·Ｋ）－１，大于氧化鋁／ＢＲ復(fù)合材料的０．２９４Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１和絹云母／ＢＲ復(fù)合材料的０．３４６Ｗ·（ｍ·Ｋ）－１。當(dāng)填料用量增大到１２５份時(shí)，如圖４（ｆ）所示，碳纖維粒子產(chǎn)生了大量團(tuán)聚，此時(shí)對(duì)形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈的貢獻(xiàn)已不大，因此熱導(dǎo)率的增幅減小。碳纖維／ＢＲ復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的照片與圖３的結(jié)果相一致。
         ３　結(jié)論
       （１）隨著碳纖維用量的增大，碳纖維／ＢＲ 復(fù)合材料的ＭＨ 和門尼粘度增大，加工性能下降。
       （２）隨著碳纖維用量的增大，碳纖維／ＢＲ 復(fù)合材料的熱導(dǎo)率明顯增大，當(dāng)碳纖維用量為１２５份時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率比空白試樣提高１９３％。
       （３）隨著碳纖維用量的增大，碳纖維／ＢＲ 復(fù)合材料的硬度和拉伸強(qiáng)度逐漸增大，拉斷伸長(zhǎng)率、拉斷永久變形和撕裂強(qiáng)度均先增大后減小。