[發明專利]一種金剛石薄膜增強碳/碳復合材料熱導率的方法

有效

• 申請號: 201310287509.4
• 申請日: 2013-07-10
• 公開（公告）號: CN103342573A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 樊楨;馮志海;孔清;趙高文;李同起
• 申請（專利權）人: 航天材料及工藝研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83;C04B35/622
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種金剛石薄膜增強碳/碳復合材料熱導率的方法，屬于碳/碳復合材料制造技術領域。?

背景技術

高導熱碳/碳復合材料以其優異的低密度、高導熱性、低膨脹系數和獨有的高溫高強度（可應用于高達3000℃無氧或低氧環境中，材料強度從室溫到2000℃隨溫度升高而升高）等性能成為目前最佳的高導熱候選材料，有望代替傳統材料，在新型熱管理材料研發中占據主導地位，廣泛用于國防和電子等領域。碳/碳復合材料的宏觀性能與材料各部組分碳的結構密切相關，很大程度上取決于原材料的性能、制備工藝和條件等，因此制備高導熱碳/碳復合材料，必須從原材料、前驅體結構、制備工藝等方面綜合考慮。增強體碳纖維是碳/碳復合材料中材料中熱傳遞的重要通道，因此，碳纖維的物理、化學性質、基體中的體積含量、分布狀況等顯著影響碳/碳材料的導熱性能。目前用于高導熱碳/碳復合材料制備的碳纖維主要包括各類中間相瀝青基碳纖維、氣相生長碳纖維等。?

碳纖維在過去的40年里是工業化最成功的新型碳材料，帶動了軍事及其他高技術領域的發展。因其具有高強高模、優異的耐熱穩定性和傳熱導電性以及輕質等特點，在從體育用品到航空航天材料領域得到廣泛的應用。目前應用最廣泛的是聚丙烯腈炭纖維（PAN-CF）和瀝青基炭纖維。PAN-CF工業化已有30多年的歷史，現在已能獲得較高力學性能的產品，但其熱導率卻較低。中間相瀝青纖維轉變成碳纖維的碳收率為80～90wt％，它比PAN基和黏膠基纖維容易?石墨化，所獲得的中間相瀝青碳纖維中，石墨微晶沿纖維軸向高度擇優取向并具有較少的晶格缺陷，因而具有更高的傳熱、導電性能。目前美國Amoco公司和日本Mitsubishi?Chemical公司開發研制的商業化高導熱中間相瀝青纖維走在世界的前沿，已開發了不同牌號的石墨纖維，中間相瀝青碳纖維的高熱導率主要來自沿纖維軸向微晶的高度擇優取向結構。美國學者用具有良好熱轉移能力的石墨和碳/碳復合材料作為抗等離子濺蝕材料，表1給出了其中部分生產廠家采用不同碳纖維所制備的高導熱碳/碳復合材料。由表中可以看出目前對于高導熱碳/碳復合材料研制主要集中在高導熱連續碳纖維為增強體的C/C復合材料。?

表1美國部分碳基高導熱復合材料?

綜上所述，高導熱碳/碳復合材料通常采用具有高熱導率的中間相瀝青基碳纖維作為增強體，以具有高取向度、易石墨化的中間相瀝青熱解碳為基體，從而獲得較高的導熱性能。但其關鍵原材料中間相瀝青基碳纖維及中間相瀝青屬于戰略物資，各國普遍實施材料及技術封鎖政策，導致原材料長期處于有價無市狀態，導致價格高企，直接提高了高導熱碳/碳復合材料的原料成本。此外，由于原材料中間相瀝青的特殊性質，在材料復合過程中對設備的高溫高壓耐受性及溫度控制精確性要求較為苛刻，更是進一步推高了高導熱碳/碳復合材料的制備成本，大大限制了高導熱碳/碳復合材料在國防和民用領域的廣泛應用。?

發明內容

本發明的目的是針對高導熱碳/碳復合材料制備成本高昂的問題，提出一種金剛石薄膜增強碳/碳復合材料熱導率的方法，降低高導熱碳/碳復合材料制備成本，簡化材料制備工藝，進一步拓展碳/碳復合材料應用領域。?

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。?

本發明的一種金剛石薄膜增強碳/碳復合材料熱導率的方法，以T300碳纖維布為原料，采用直流電弧等離子體噴射沉積技術在T300碳纖維布及纖維表面沉積一層連續的金剛石薄膜，隨后采用低溫熱壓與瀝青浸漬增密工藝制備材料，并控制材料最高熱處理溫度低于1650℃，可簡化設備需求和制備工藝，縮短材料制備周期，實現材料的低成本制備。所制材料導熱性能提高的實質在于高熱導率連續金剛石薄膜的增強作用，該方法的步驟為：?

1）按照金剛石薄膜沉積設備尺寸和需要制備的材料大小裁剪碳纖維布，隨后放入丙酮溶液中進行超聲清洗處理，超聲處理時間不小于15min，去除碳纖維表面的保護膠層；?

2）采用30千瓦級高功率直流電弧等離子體噴射（DC?Arc?Plasma?Jet）設備進行T300碳纖維布表面金剛石膜沉積；將步驟1）中處理好的碳纖維布平整放置在沉積室內樣品臺上，使碳纖維布與樣品臺緊密貼合，并用夾具固定，防止沉積過程中被氣流吹跑；?

3）將步驟2）中處理好的碳纖維布浸泡在酚醛樹脂浸漬液中，待碳纖維布完全浸潤后取出，空氣中自然晾干；?

4）將步驟3）中處理好的碳纖維布進行疊層熱壓；?

5）將步驟4）中處理好的材料放入碳化爐中進行常壓碳化處理；?