[發(fā)明專利]一種具有疊層混雜結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011283317.2
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112480604B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王函;孫新陽;張建崗;馬超群;魯妮;曾尤;任文才;劉暢;成會明
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號: C08L63/00
• 分類號: C08L63/00;C08K9/00;C08K9/02;C08K7/06;C08K7/18;C08K7/00;C08K3/04;B32B9/00;B32B9/04;B32B33/00;B32B37/00;B32B38/00;D06M10/02;D06M11/74
• 代理公司: 沈陽優(yōu)普達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)/功能復(fù)合材料領(lǐng)域，具體為一種具有疊層混雜結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。以碳纖維布層為主體向其表面噴涂石墨烯溶液與含銅溶液，水平方向上構(gòu)建平行于碳纖維布層的片狀填料導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，垂直方向上在碳纖維布層表面構(gòu)建微納尺度的片夾球疊層結(jié)構(gòu)，之后對碳纖維布層進(jìn)行鋪層并將聚合物基體材料注入其中，最終獲得具有疊層混雜結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料。本發(fā)明疊層混雜結(jié)構(gòu)的引入可以顯著提升復(fù)合材料的面內(nèi)/外熱導(dǎo)率，該復(fù)合材料兼具高導(dǎo)熱及高力學(xué)性能。此外，片夾球的疊層混雜結(jié)構(gòu)更有利于樹脂的浸潤，可有效提升復(fù)合材料的力學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)/功能復(fù)合材料領(lǐng)域，具體為一種具有疊層混雜結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)低、制備工藝簡單等諸多優(yōu)點，通常作為結(jié)構(gòu)材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域。隨著近年來航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域的快速發(fā)展，其內(nèi)部器件逐漸高度集成化與高功率化，不可避免的產(chǎn)生越來越多的熱量，嚴(yán)重的影響了產(chǎn)品使用壽命。作為結(jié)構(gòu)材料的傳統(tǒng)碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料在導(dǎo)熱散熱方面由于自身性能所限難以滿足使用需求。此外，由于碳纖維鋪層復(fù)合材料其本身導(dǎo)熱性能的差異，使得碳纖維復(fù)合材料的面外導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)低于面內(nèi)導(dǎo)熱性能，極大限制了碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用。因此，如何提升碳纖維疊層復(fù)合材料的面內(nèi)外熱導(dǎo)率的成為了目前亟待解決的科學(xué)問題。

目前，為了提升碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的面內(nèi)外熱導(dǎo)率，主要有兩種方法：

一種方法是通過提升聚合物基體的熱導(dǎo)率進(jìn)而提升整體復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，大多采用在聚合物基體內(nèi)添加導(dǎo)熱填料的方法來提高碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱能力，常用填料主要為金屬、陶瓷或無機(jī)填料，如：納米銅粉、納米銀粉、氧化鋁、氮化硼、碳納米管、石墨烯等材料。但是，這種方法存在很大不足，由于填充物以粉體為主，填料易被樹脂包覆導(dǎo)致其散熱能力無法體現(xiàn)，而當(dāng)填料含量過多時，很難以實現(xiàn)聚合物對碳纖維的浸潤，從而產(chǎn)生大量的界面熱阻，使得碳纖維復(fù)合材料整體導(dǎo)熱性能的提升并不顯著。

另一種方法是通過在碳纖維表面沉積涂層的方法提升碳纖維的導(dǎo)熱性能進(jìn)而增加復(fù)合材料整體的導(dǎo)熱性能，主要采用電化學(xué)沉積法在碳纖維表面沉積銅等高導(dǎo)熱材料，或通過噴涂的方法在碳纖維表面噴涂石墨烯、碳納米管、納米銅或以上兩者混合物涂層。這種方法目前主要存在的問題是，當(dāng)涂層厚度較低時，對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的改善極為有限；而當(dāng)涂層較厚時，由于樹脂難以浸潤到涂層內(nèi)部，會使得碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度迅速下降，且由于涂層層間較大的空間熱阻使復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能提升仍然極為有限。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有疊層混雜結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料及其制備方法，獲得一種兼具高面內(nèi)外導(dǎo)熱及高力學(xué)性能的碳纖維聚合物基復(fù)合材料。

為了實現(xiàn)上述技術(shù)目標(biāo)，本發(fā)明所提出的技術(shù)方案是：

一種具有疊層混雜結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料，高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料為碳纖維布層、片狀填料導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)、片夾球疊層結(jié)構(gòu)組合并鋪層后，由聚合物基體材料充分浸潤成型獲得具有疊層混雜結(jié)構(gòu)；水平方向上構(gòu)建平行于碳纖維布層的片狀填料導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，垂直方向上在碳纖維布層表面構(gòu)建微納尺度的片夾球疊層結(jié)構(gòu)。

所述的具有疊層混雜結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料，碳纖維布層為碳纖維織物或者碳纖維預(yù)浸料，碳纖維織物為正交布、單向布、斜紋布的一種或兩種以上組合，碳纖維織物或碳纖維預(yù)浸料厚度為0.2～1mm，碳纖維直徑為1～10μm，碳纖維絲束的單絲數(shù)量為1K～48K，密度為1.5g/cm³～2.0g/cm³。

所述的具有疊層混雜結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料，碳纖維布層的鋪層層數(shù)為1～50層。

所述的具有疊層混雜結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：