一、研究背景与热管理需求的重要性

随着电子设备向高性能、小型化发展，热管理成为关键挑战。传统材料如铜虽导热性好，但密度高（8.9 g/cm³）、易导电，且热膨胀系数不匹配半导体材料，导致可靠性问题。中间相沥青基石墨纤维（MPGF）因其独特的结构可调控性，能够实现轴向导热系数超800 W/m·K，同时密度低（约2.2 g/cm³），成为理想替代品。本研究旨在通过MPGF增强ABS树脂，制备一维（1-D）和二维（2-D）复合材料，解决定向热传导问题。

二、中间相沥青的关键角色：从前驱体到高性能纤维

中间相沥青作为一种液晶态碳前驱体，在纤维制备中起到决定性作用：

结构导向性：中间相沥青的分子取向在熔融纺丝过程中形成高度有序的径向纹理，为后续石墨化提供基础。

热处理优化：通过控制石墨化温度（2500°C至2900°C），中间相沥青衍生的纤维晶体尺寸（Lc(002)从24 nm增至30 nm）和石墨化度（g值从75.6%提升至84.8%）显著提高，直接影响导热性能。

直径调控：中间相沥青的流变特性允许制备不同直径纤维（10-55 μm），大直径纤维（50-55 μm）呈现开放楔形裂纹结构，促进热传递。

图1.（a）平板上排列整齐的沥青纤维的光学照片，（b）典型的偏光显微镜照片以及（c-f）不同直径（b、c为50-55毫米，d为28-32毫米，e为18-22毫米，f为10-15毫米）的2500°C石墨化MPGF的扫描电子显微镜图像。

三、实验设计与制备流程

3.1 材料制备 

MPGF制备：商用萘基中间相沥青（三菱瓦斯化学公司）经熔融纺丝、氧化稳定化、碳化及2500°C、2700°C、2900°C石墨化处理。纤维直径通过多孔纺丝控制，批次差异±5 μm。

复合材料制备：ABS树脂（镇江奇美公司）溶解于丙酮，浇铸到有序MPGF阵列上，形成预浸料。多层预浸料单向（1-D）或正交（2-D）堆叠，在180°C、1 MPa下热压2.5小时，制成80×40×10 mm复合材料块体。纤维体积分数（Vf）通过密度法计算：Vf = (dc - dm) / (df - dm)，其中dc、dm、df分别为复合材料、树脂和纤维密度。

3.2 表征方法 

XRD：使用Cu Kα辐射分析晶体结构，计算晶体参数（d002, Lc(002), La(002)）和石墨化度（g）。

SEM/PLM：观察纤维形貌和复合材料微观结构。

热性能：激光闪射法（LFA 447）测量热扩散系数（α），导热系数（λ）通过λ = ρ·Cp·α计算，Cp基于混合规则估算（ABS树脂：1.30 J/g·K，MPGF：0.71 J/g·K）。

电性能：四探针法测量电阻率。

机械性能：冲击试验机测试冲击强度。

四、纤维结构与性能深度分析

4.1 形貌与晶体结构

大直径MPGF（50-55 μm）的径向裂纹结构（图1c）有利于石墨层取向，而小直径纤维（10-15 μm）结构更完整但晶体尺寸较小。XRD分析显示，纤维直径和石墨化温度显著影响晶体参数（表1）。

图2. 在2900°C下石墨化的单根圆形碳纤维的典型SEM图像，其中（a）为大直径，（c）为小直径，以及其相应的横向结构示意图（b和d）。

图3. 不同直径（a-10-15、b-18-22、c-28-32、d-50-55毫米）的2500°C石墨化MPGF的XRD图谱。

表1：2500°C和2900°C石墨化MPGF的晶体参数（摘要）

4.2 复合材料的结构各向异性 

XRD和SEM证实MPGF在复合材料中高度有序排列。1-D复合材料中纤维单向对齐，导致强烈的(002)衍射峰，而横向方向峰消失，显示各向异性。2-D复合材料因正交排列，在二维方向均显示高结晶度。

图4. 在2900°C下石墨化的单根圆形碳纤维的典型SEM图像，其中（a）为大直径，（c）为小直径，以及其相应的横向结构示意图（b和d）。

五、热性能：中间相沥青驱动的超导效应

5.1 1-D复合材料的热传导机制 

热扩散系数（α）和导热系数（λ）随Vf、直径和石墨化温度线性增加。例如，Vf=62%的1-D复合材料（2900°C石墨化，直径50-55 μm）：

图5. 一维MPGF/ABS树脂复合材料沿纤维纵向的热扩散系数随纤维体积分数、直径和石墨化温度的变化（a）2500℃，（b）2700℃，（c）2900℃，（d）线性拟合曲线。

5.2 2-D复合材料的多向热管理

2-D复合材料在二维方向显示高导热性（表2）。例如，Vf=54%时，轴向λ达515.6 W/m·K，归因于纤维接触点的热渗透效应。中间相沥青赋予的径向热导性（通过开放楔形层）增强了二维热扩散。

表2：室温下使用直径为50-55毫米的2900°C石墨化纤维制备的一维和二维MPGF/ABS树脂复合材料的热扩散系数和计算出的热导率。

图6. 二维MPGF/ABS树脂复合材料的横向热扩散系数随纤维体积分数、直径和石墨化温度的变化情况：(a) 在2900°C下石墨化的不同直径纤维；(b) 在不同温度下石墨化的直径为50-55mm的纤维。

六、电学与机械性能：应用潜力的多维评估

6.1 电学性能的各向异性

图7. 一维MPGF/ABS树脂复合材料的电阻率随直径为50-55毫米的2500℃石墨化纤维体积分数的变化。

6.2 机械增强效应

冲击强度从纯ABS的9 kJ/m²提升至Vf=54%时的20 kJ/m²，归因于MPGF的连续纤维增强作用。2-D复合材料强度略低，但仍优于传统聚合物。

图8. 1-D和2-D MPGF/ABS树脂复合材料的冲击强度与直径为50-55毫米的2500°C石墨化纤维体积分数的关系。

七、机制讨论：中间相沥青的核心贡献

热传导机制：MPGF的高导热性主要源于声子传输，中间相沥青通过促进大晶体尺寸（La(002)达73 nm）和层间取向，减少声子散射。

界面效应：大直径纤维的径向裂纹允许热量的径向耗散，而2-D复合材料中纤维接触点形成热渗透网络，提升二维性能。

与文献对比：本研究估算的纤维本征λ（825 W/m·K）与Lavin公式（λ=440,000/(100ρ+258)-295）结果（840 W/m·K）一致，验证了中间相沥青在优化电-热关联中的作用。

八、结论与未来展望

中间相沥青作为前驱体，通过调控纤维直径和石墨化温度，实现了复合材料的结构与性能优化。1-D和2-D MPGF/ABS复合材料在热管理、电子封装和航空航天领域具有广泛应用前景。未来工作可聚焦于界面工程和规模化制备，进一步发挥中间相沥青的潜力。

文献来源：Carbon 95(2015) 1007-1019.

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