[發(fā)明專利]一種定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料及制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610742798.6
• 申請日: 2016-08-26
• 公開（公告）號: CN106631082A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李煒;徐林;樊楨;宋永忠;馮志海
• 申請（專利權(quán)）人: 航天材料及工藝研究所;中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83;C04B35/84
• 代理公司: 中國航天科技專利中心11009
• 代理人: 安麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料及制備方法，是利用高定向碳納米管預(yù)制體為骨架、中間相瀝青為基體采用液相浸漬、熱壓、熱等靜壓、高溫處理的方法獲得一種復(fù)合材料，屬于高溫?zé)峁芾聿牧霞夹g(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著電子科技及制造工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計(jì)特別是電子產(chǎn)品對輕質(zhì)、高效、可靠等方面的性能追求越來越強(qiáng)烈，勢必也對材料領(lǐng)域提出了大的挑戰(zhàn)。高溫?zé)峁芾聿牧鲜侵冈诟邷丨h(huán)境下能夠保持較高的導(dǎo)熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性的一類材料，是新型電子產(chǎn)品以及高精尖儀器設(shè)備的關(guān)鍵部件、部位用熱疏導(dǎo)材料的發(fā)展方向。高溫?zé)峁芾聿牧现饕ǎ簽r青碳纖維、氣相生長碳纖維、高定向碳納米纖維、泡沫碳等。其中，瀝青基碳纖維由于其近石墨單晶結(jié)構(gòu)，使其擁有較高的導(dǎo)熱及導(dǎo)電性能；但瀝青基碳纖維脆性大、抗熱沖擊性能不足，且纖維較僵成形性較差；傳統(tǒng)碳納米管材料密度低、導(dǎo)熱性能優(yōu)異，但力學(xué)性能不足且定向性差；碳/碳化硅抗氧化性能與力學(xué)性能均較好，但密度較高。發(fā)展低密度耐高溫下使用的材料是當(dāng)前熱疏導(dǎo)材料技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，因此，開發(fā)有效的熱疏導(dǎo)材料降低產(chǎn)品材料的熱環(huán)境，一定程度上提高現(xiàn)有材料使用壽命，從而進(jìn)一步提升產(chǎn)品性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有散熱系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)等高溫部件材料局部溫度過高難以滿足性能需要的難題，針對定向碳納米管獨(dú)特的高導(dǎo)熱性能，提出一種定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料及制備方法，該方法能實(shí)現(xiàn)定向碳納米管材料的有效復(fù)合成型并保持優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，該方法工藝過程簡單，適合于工程化應(yīng)用。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明是一種定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料及制備方法，以定向碳納米管薄膜預(yù)制體為主結(jié)構(gòu)骨架，通過液相泡浸、熱壓固化和熱等靜壓工藝引入一定含量基體碳納米管陣列起到支撐和界面保護(hù)，以液相浸漬、固化、碳化工藝引入一定含量石墨稀的中間相瀝青為基體，在引入過程中，為了提高不同時(shí)期的引入效率，設(shè)計(jì)選用了前期以中間相瀝青摻雜石墨稀的常壓、低壓引入方法和后期高壓碳化的引入方法，有效解決了引入含量和引入均勻性的問題，實(shí)現(xiàn)了中間相瀝青及石墨稀組分的高效、均勻引入，在保持低密度的前提下大幅度提高了材料的導(dǎo)熱性能。

該方法的具體步驟為：一種定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料，其特點(diǎn)在于：骨架為低密度≤0.5g/cm³且同方向碳納米管比例超過80％，以同向碳納米管陣列為預(yù)制體，中間相瀝青摻雜石墨稀為基體材料進(jìn)行復(fù)合，完成后的復(fù)合材料在預(yù)制體軸向方向?qū)崧省?00W/m·k，且與非軸向方向?qū)崧什町惓^50W/m·k以上。

碳納米管預(yù)制體單元為定向陣列連續(xù)抽出形成的薄膜結(jié)構(gòu)，預(yù)制體密度小于0.2g/cm³，結(jié)構(gòu)為軸向鋪層結(jié)構(gòu)，薄膜厚度范圍0.1-0.5mm。

一種定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)在碳納米管生長圓形基板上制備定向碳納米管陣列，然后利用牽引針在陣列一側(cè)橫向抽出連續(xù)碳管至成膜后，按照軸向0℃、180℃疊加鋪放；得到厚度≥200mm的碳納米管骨架毛坯；

(2)將中間相瀝青粉末、石墨稀進(jìn)行細(xì)混，其中石墨稀按照＜1％比例添加，與乙醇混合球磨后烘干，得到摻雜石墨稀粉體的中間相瀝青粉體；

(3)將步驟(2)得到的中間相瀝青、石墨稀混合基體粉料，與無水乙醇按≤2倍的比例，超聲分散后，得到摻雜石墨稀粉體的中間相瀝青混合漿液；

(4)利用步驟(3)得到的摻雜石墨稀粉體的中間相瀝青混合漿液，對步驟(1)得到的一定厚度的碳納米管骨架毛坯進(jìn)行浸漬、熱壓成型、高溫處理，先進(jìn)行常壓浸泡,再將樣品用混合粉體包埋在訂制的限位工裝內(nèi)進(jìn)行熱壓固化、碳化和高溫處理，得到半致密化定向碳納米管復(fù)合材料；

(5)利用對步驟(4)獲得的半致密化定向碳納米管復(fù)合材料進(jìn)行進(jìn)一步熱等靜壓浸漬碳化、高溫處理，得到致密的定向碳納米管復(fù)合材料。

所述步驟(4)中的常壓浸泡時(shí)間為1h。

所述步驟(3)超聲分散時(shí)間為0.5-1h，高速攪拌時(shí)間為1h。

所述步驟(2)超聲分散時(shí)間為0.5-1h，高速球磨時(shí)間為8-10h。烘干條件80-100℃,4-6小時(shí)。

所述步驟(1)中的定向碳納米管薄膜按照軸向方向依次按照0℃、180℃依次疊加鋪放。

所述步驟(4)中熱壓固化溫度為280-300℃，保溫2～4h。

所述步驟(4)中碳化溫度為800-900℃、保溫2～4h。