[發明專利]一種高導熱炭炭復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201110307428.7
• 申請日: 2011-10-08
• 公開（公告）號: CN102504770A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 史景利;張金才;郭全貴;劉朗
• 申請（專利權）人: 中國科學院山西煤炭化學研究所
• 主分類號: C09K5/14
• 分類號: C09K5/14
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 劉寶賢

技術領域

本發明屬于一種炭炭復合材料的制備方法，具體涉及一種高導熱炭炭復合材料的制備技術。

背景技術

在航空航天領域，如飛機、導彈和回收式衛星在再入大氣層時高速飛行和氣流摩擦會在短時間內產生極高的溫度。因此需要在衛星或導彈表面與內部的夾層材料有較高的熱導及時將熱流導出以保證內部儀器儀表正常工作。傳統的材料采用具有高導熱性質的金屬，如銅、或鈦合金。但是這些金屬材料比重太大，不利于導彈的遠程飛行。這就需要開發新的高導熱低比重的復合材料部分替代上述材料。瀝青基炭纖維有著易石墨化的結構性能，并具有極高的熱導率，如美國Amoco公司生產的牌號為P130X的石墨纖維在室溫下熱導率可達到1100W/m.K。而密度只有銅鈦合金的二分之一到四分之一，因此炭纖維復合材料是很好的航空導熱替代材料。

美國Clemson大學和印度Sardar?Patel大學的研究人員分別用帶型的中間相瀝青炭纖維和圓型中間相炭纖維作為主要導熱材料，中間相瀝青作為粘結劑，壓制成型后，經過炭化、浸漬增密過程然后經過石墨化工藝制備出炭炭復合材料，導熱率分別達到213.5W/m.K和320.06W/m.K。由于作為粘結劑的瀝青是一種很容易石墨化的材料，在復合材料中瀝青炭機體和瀝青基炭纖維一體共炭化石墨化。材料定型需要在500-800℃溫度范圍內完成，能耗高，制備得到的復合材料導熱率也并不高。

發明內容

本發明的目的是提供一種能耗低，導熱率高的炭炭復合材料的制備方法。

本發明采用中間相瀝青基炭纖維和樹脂做原料制備炭炭復合材料，但是采用一般的樹脂作為粘接劑經高溫處理后成為不易石墨化炭，制備得到的復合材料力學性能高、導熱率較低。采用瀝青作為粘接劑制備炭炭復合材料經高溫處理后容易石墨化，但是力學性能低。因此，要制備得到力學性能和導熱性能兼備的復合材料，需要采用特殊的容易石墨化的樹脂作為纖維的粘結劑?？s合多核芳香烴(COPNA)樹脂分子有著類似瀝青的平面結構，容易石墨化，同時它又具備一般樹脂的性質。其熱穩定性相當高，固化殘炭率也高于通常的樹脂，所以可以作為良好的纖維粘結劑來制備炭炭復合材料。

由于中間相瀝青基炭纖維其本身的制備原料——中間相瀝青有著平面芳香烴分子結構，在紡絲過程中經牽引力的作用會使這些平面芳香烴分子在纖維軸向上有序排列。經石墨化處理后會沿纖維軸向形成大的石墨烯片層結構，這種結構使聲子在石墨微晶中傳遞的自由程較大，因而有更高的導熱率。在本發明中讓表面涂覆有樹脂的纖維沿同一方向平行排列，經固化過程將纖維粘結在一起形成塊體材料。再經過炭化石墨化處理。保持了纖維本身的軸向高熱導特性，作為粘結劑的縮合芳香烴樹脂又容易石墨化。因此制備得到的炭炭復合材料在理論上講有更高的導熱率。

本發明的具體制備方法如下：

本發明將中間相瀝青基炭纖維平行排列放置在一平盤中，按中間相瀝青基炭纖維與縮合多核芳香烴樹脂的重量比在0.5-2∶1范圍內，在中間相瀝青基炭纖維上面均勻的鋪灑一層縮合多核芳香烴樹脂粉末，將溫度升溫到100-145℃保持0.5-1小時，讓樹脂粉末充分融化在纖維表面涂覆一層樹脂薄膜后，自然冷卻，得到的炭纖維予制體；或將縮合多核芳香烴樹脂用有機溶劑溶解制成濃度為0.1-1g/ml的溶液，將中間相瀝青基炭纖維浸漬在溶液中，溶液應保證將纖維全部浸沒，之后讓溶劑徹底揮發干凈，這樣在纖維表面形成一層樹脂層，得到炭纖維予制體；將炭纖維予制體按照需要的尺寸將其體裁剪成薄片，將薄片狀炭纖維預固化體依次疊放在模具中，加壓至20-70MPa之間，同時升溫到110-145℃，卸壓后保持0.5-2小時，再升溫到200-300℃固化1-6小時，固化完畢后自然冷卻到室溫脫模，得到的固化樣品經過900℃炭化，之后再用瀝青浸漬，浸漬溫度為340-400℃，浸漬時間1-8小時，重復以上炭化-浸漬循環工藝將樣品密度增加到1.5-1.7g/cm³，最后經石墨化制備得高導熱炭炭復合材料。

如上所述中間相瀝青基炭纖維為圓形截面，直徑大約是8-20微米。

如上所述的有機溶劑為四氫呋喃、甲苯、N.N-二甲基甲酰胺、吡啶或二氧甲烷中一種。

如上所述的石墨化溫度為2500-3000℃，時間為0.5小時。

在本發明中，纖維相互之間的排列應盡量保持平行，減少或避免錯位搭界現象。這是保證復合材料沿纖維軸向具備高導熱性質的根本。另外，固化時間要足夠長，使樹脂固化完全，這是保證在炭化中高殘碳的根本，不然在制備的產品中會有許多微孔，影響產品的性能。