[發明專利]一種三維中間相瀝青基高熱導率碳/碳復合材料及其制備工藝

有效

• 申請號: 201310347385.4
• 申請日: 2013-08-09
• 公開（公告）號: CN103408315A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 樊楨;馮志海;孔清;余立瓊;趙高文
• 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: 范曉毅

技術領域

本專利涉及一種三維中間相瀝青基高熱導率碳/碳復合材料及其制備工藝，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，在新型熱管理和熱疏導材料研發中占據主導地位，廣泛用于國防和電子等領域。

碳/碳復合材料最終性能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的性能、先驅體結構、制備工藝、條件等方面綜合考慮。高導熱碳/碳復合材料的制備主要有化學氣相滲透、瀝青或樹脂浸漬/碳化、壓制等方法，其中壓制法采用的較多。英國Dunlop公司采用PAN基碳纖維CVI工藝制成了最高室溫導熱系數達250W/m·K的碳/碳復合材料；Leeds大學采用高模量PAN基碳纖維—Grafil?HM2370，石油瀝青作基體先驅體，并添加石油焦粉，經壓制＋瀝青浸漬/碳化工藝，制成了室溫導熱系數為150W/m·K的碳/碳材料。法國學者J.P.Bonal和德國學者C.H.Wu在歐州爆破R&D項目中，分別用了7種碳/碳復合材料作為國際熱核實驗反應器的第一壁材料進行了實驗研究，這幾種復合材料的制備原料及制作工藝分別如下。

A05是2D帶狀碳纖維復合材料，首先是把Le?Carbone?Lorraine的PAN基碳纖維隨意放在一個平面上，然后再用少量碳纖維對原來放好的碳纖維進行穿刺。在對碳纖維預成型體進行CVI處理和瀝青浸漬，最后經2500℃的高溫石墨化處理。CX2002U是Toyo?Tanso公司提供的2D帶狀復合材料，此復合材料主要是對隨意擺放的ex-PAN基碳纖維進行CVI，最后經高溫石墨化處理。DMS678是由DUNLOP提供的2D編織碳/碳復合材料，碳纖維預成型體是ex-PAN基碳纖維面狀編織體，將它進行CVI所得。

N112是由Société?Européenne?de?Propulsion提供的3D碳/碳復合材料，其中所用ex-PAN基碳纖維是由NOVOLTEX提供。面內是2D編織體，然后在與平面垂直的方向上進行穿刺而成。對其預成型體進行CVI，高溫熱處理，108Pa/1000℃條件下瀝青浸漬，2200℃的高溫熱處理而成。N11與N112基本一樣，所不同的是未進行瀝青浸漬。FMI?A27-130是3D碳/碳復合材料，主要是由P130碳纖維組成。MKC是由Mitsubishi?Kagaku公司提供的1D碳/碳復合材料。

在高導熱碳/碳復合材料的應用研究方面，美國加利福尼亞州最近報道了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-43超聲速飛行器，其機翼前緣采用了帶高導熱碳/碳復合材料，并成功通過了飛行驗證。

我國高導熱碳/碳復合材料的研究由于受到原材料限制、需求不明確等，長期處于低谷。國內山西煤化所、北京化工大學、中南大學、航天材料及工藝研究所等開展了一些相關的基礎研究工作，制備的小尺度高導熱碳/碳復合材料在熱導率方面接近國外材料水平，但由于受到原材料、資金等的限制，研究僅限于實驗室級，尚無相關應用。

綜上所述，國外在高導熱碳/碳復合材料制備及應用方面均已開展了大量工作，但在高導熱碳/碳復合材料具體制備工藝方面報道較少，通常采用中間相瀝青作為基體碳前驅體的高導熱碳/碳復合材料大都限于單向或兩維材料，制備工藝通常采用熱壓成型，材料及制備工藝均相對簡單，工藝放大難度較大，且制備得到的復合材料熱導率、模量和尺寸穩定性較差。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種三維中間相瀝青基高熱導率碳/碳復合材料及其制備工藝，該制備工藝可大大提高碳/碳復合材料熱導率、模量和尺寸穩定性，并可實現大尺寸高導熱碳/碳塊體材料的制備，進一步拓展碳/碳復合材料應用領域。

本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的：

一種三維中間相瀝青基高熱導率碳/碳復合材料的制備工藝，包括如下步驟: