[發明專利]一種二維高熱導率碳/碳復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201310287510.7
• 申請日: 2013-07-10
• 公開（公告）號: CN103387406A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 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
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種二維高熱導率碳/碳復合材料的制備方法，屬于碳/碳復合材料制造技術領域。

背景技術

臨近空間飛行器因其顯著特點和潛在的軍、民兩用價值是目前世界各國研究的熱點，熱防護系統及材料是飛行器極為關鍵的技術之一，飛行器在服役過程中需要經受長時間中低密度熱流的持續加熱,總加熱量很高，同時,因其復雜的非對稱外形，致使各部位溫度分布極其不均勻，對傳統熱防護系統提出了極其嚴峻的挑戰,為降低臨近空間飛行器防熱的技術難度，需要將飛行器在高超聲速飛行過程中所產生的熱量盡快傳導出去或進行吸收，因此，具有優異力學性能的輕質、高導熱材料的開發極為關鍵。

另一方面，由于集成電路和封裝技術的迅速發展，大型計算機、筆記本電腦的CPU及許多民用電器裝置元件集成度的越來越高,使電子器件運行過程中產生的熱量驟增，這些熱量若不能被及時導出,電子器件的正常工作及系統的穩定性就會受到嚴重影響。航天飛行器的許多電子部件需要在40～60℃的環境溫度下正常工作,儀器運行過程中產生的熱量必須及時導出，對飛行器電子器件的熱管理也提出了更高要求，即在更小的空間內布置更多和能量密度越來越高的小型化部件，如何盡快讓設備內部的熱量散發出來，變得越來越重要。因而，對作為熱控重要組成部分的散熱材料也提出了越來越高的要求,亦迫切需要質量輕、導熱率高的材料。

除此之外，在某些大型車輛的發動機排氣管設計中,為了將發動機產生的熱量排出到車體外，保證車輛行駛安全，要求排氣管沿軸向的導熱率高,而沿徑向的導熱率很低。在導彈鼻錐體、固體火箭發動機噴管等航天領域工作較嚴峻的部位及核聚變堆用第一壁材料等，均需材料具有質量輕、導熱率高、機械性能良好等優異的綜合性能。

傳統的金屬(鋁、銅)散熱材料由于其本身密度較大、熱膨脹系數較高、材料不純其導熱率會大幅下降等局限性,已很難滿足導熱需求，新型高導熱材料的研制已成為制約電子信息、航天航空及國防軍事裝備等領域發展的關鍵技術之一。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。

對于高導熱碳/碳復合材料的研制在國外尚屬于保密階段，由于其在結構、界面狀態等方面與傳統碳/碳復合材料存在明顯差異，國外對高導熱率C/C復合材料的研究主要著重于應用領域，對相關基礎研究及發明報道較少。最近據加利福尼亞州的BFGoodrich?Suppertemp報道，一種導熱性能幾乎和鋁一樣好，質量僅有鋁的2/3的低模量C/C復合材料板材被研制成功，其3D?C/C的均質導熱系數為180～200W/(m·K)。環火星宇宙飛船的電子系統箱、蓄電池及其它許多部件都被安裝在這種C/C復合材料板上，電子器件產生的熱量被其及時導出，以保持環境溫度在正常范圍內。此外，美國國家航空航天局(NASA)通過Hyper-X計劃開發出的X-43A超聲速飛行器，其機翼前緣采用了高導熱抗氧化碳/碳復合材料，成功通過了飛行驗證。

國內對于高導熱碳/碳復合材料研究，由于受到原材料的限制和國外技術封鎖，尚處于起步階段。絕大多數研究集中在采用自制中間相瀝青基碳纖維研制小尺度單向高導熱碳/碳復合材料階段，有關二維高導熱碳/碳復合材料的研究報道極少。由于單向材料的導熱方向僅為纖維排列方向，無法滿足面內熱量均勻疏導的要求，并存在纖維徑向與軸向膨脹系數不一致的問題，材料尺寸穩定性較差，在急速升降溫過程中容易出現開裂、變形。此外，單向高導熱碳/碳復合材料在制備過程中通常需要用到高溫熱壓機，對設備要求較高，間接推高了高導熱碳/碳復合材料的制造成本。

發明內容

本發明的目的是為了提出一種二維高熱導率碳/碳復合材料的制備方法，該方法簡單對設備的要求低且制備的碳/碳復合材料的面內導熱率高、尺寸穩定。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

本發明的一種二維高熱導率碳/碳復合材料的制備方法，該方法以高熱導率中間相瀝青基碳纖維布為增強體，通過浸漬少量樹脂熱壓成型后，以易石墨化的中溫煤瀝青為基體，利用液相浸漬-碳化結合高溫處理對材料進行增密處理，最后通過2800℃以上高溫石墨化處理，制得最終的二維高熱導率碳/碳復合材料。該方法的步驟為：

1）按照需要制備的材料大小裁剪碳纖維布；