[發明專利]各向同性高導熱率納米碳纖維膜制備方法及其制品

有效

• 申請號: 202010007529.1
• 申請日: 2020-01-04
• 公開（公告）號: CN111170316B
• 公開（公告）日: 2022-01-18
• 發明（設計）人: 于杰;林梓家
• 申請（專利權）人: 松山湖材料實驗室
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22
• 代理公司: 深圳市千納專利代理有限公司 44218
• 代理人: 劉曉敏

本發明公開了一種各向同性高導熱率納米碳纖維膜制備方法及其制品，本發明制備方法包括以下步驟：(1)靜電紡絲；(2)輥壓；(3)熱壓；(4)預氧化；(5)碳化；(6)石墨化；本發明制備方法通過靜電紡絲技術制備PAN纖維膜，并對PAN纖維膜進行輥壓和熱壓處理，使PAN纖維之間形成緊密交聯的粘連節點，再經過預氧化、碳化和石墨化處理，使得納米碳纖維之間高度交聯，彼此緊密接觸，在各個方向均構成連續傳熱路徑，形成良好的導熱網絡，確保各個方向均具有較好的導熱率，有效解決傳統納米碳纖維膜導熱率低以及石墨導熱膜垂直方向導熱系數較低的缺點，導熱效果好。

技術領域

本發明涉及新材料技術及導熱材料技術領域，特別涉及一種各向同性高導熱率納米碳纖維膜制備方法及其制品。

背景技術

納米碳纖維膜具有廣泛的用途，其中很多用途要求高的導熱性能，如納米碳纖維膜用于燃料電池催化劑載體具有比表面積大、導電網絡連續的優勢，但當燃料電池大電流工作時發熱嚴重，如果熱量不能及時導出有可能使膜電極過熱而破壞。納米碳纖維膜用于化工反應催化劑載體、電催化制氫催化劑載體以及各類功能復合材料時也要求具有高的導熱性能，從而將反應產生的熱量及時導出，保持溫度恒定，但一般納米碳纖維由于纖維之間接觸不好導致其導熱性能很差，不能滿足應用要求。

目前，還沒有公開文獻報道如何提高納米碳纖維膜的導熱率。另一方面，隨著電子產品的升級換代，小型化和高集成度成為電子產品的普遍發展趨勢，電子產品的集中發熱問題也備受行業關注，對導熱材料也提出了更高的要求。金屬銅和鋁作為傳統的導熱材料，導熱系數高，但密度大，不耐腐蝕，與熱源和散熱器不易緊密貼合，因此在高端電子產品中，逐漸被石墨導熱膜取代。石墨導熱膜不僅導熱系數高于傳統的金屬材料，而且密度小，耐腐蝕，占用空間小，與熱源和散熱器可以良好貼合，成為最受歡迎的導熱材料之一。但是石墨膜的導熱性能存在明顯的各向異性，其平面內的導熱系數可達到1000W/(m·K)以上，而垂直平面方向的導熱系數很低，僅有3-5W/(m·K)，難以滿足高性能電子器件的散熱要求。石墨膜的導熱機制主要是將熱源上局部的熱量均勻分布在二維平面上，增加了散熱面積，而不能將熱量高效地沿垂直方向直接轉移到散熱介質，因而在實際應用中導熱散熱性能還有待提高，需要開發新型的導熱材料。

針對導熱石墨膜在應用中存在的問題，產業界希望提高導熱膜在垂直平面方向的導熱系數，以實現更直接、更高效的導熱與散熱。目前，市場上符合要求的導熱材料還很少。對導熱膜材料的研究較多注重提高其平面內導熱系數，如公開號“CN110066174A”公布了一種面內導熱系數高達2000W/(m·K)的柔性石墨烯復合導熱膜，但無法實現導熱膜較高的面外方向導熱系數。公開號“CN109913185A”公布了一種利用機械剪切誘導片狀氮化硼取向，層層堆疊以及熱壓成型，在環氧樹脂基體中構建導熱網絡結構的方法，但對提高導熱膜面外導熱系數效果不明顯。

發明內容

針對上述不足，本發明的目的在于，提供一種各向同性高導熱率納米碳纖維膜制備方法及其制品。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案是：

一種各向同性高導熱率納米碳纖維膜制備方法，其特征在于：其包括以下步驟：

(1)靜電紡絲：預備PAN溶液，PAN溶液通過靜電紡絲制得PAN納米纖維膜，靜電紡絲設置電壓為12-15kV，紡絲距離為10-18cm，在是此條件下可獲得穩定的射流，電壓過大，距離過小時無法得到連續纖維，電壓過小，距離過大時，容易出現液滴甚至無法成絲。該PAN納米纖維膜的厚度優選為100-500μm；PAN溶液的濃度為5-15％，黏度適中，有利于提高紡絲產量；

(2)輥壓：對PAN納米纖維膜進行輥壓處理，在輥壓時兩輥筒的間距為50-400μm，輥壓后，使PAN納米纖維膜的纖維結構致密化，使纖維之間的交點接觸增強；