[發(fā)明專利]一種雙向高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110481988.8
• 申請(qǐng)日: 2021-04-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113277866B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬兆昆;張型偉;曹瑞雄;王錄;周強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號(hào): C04B35/83
• 分類號(hào): C04B35/83;C04B35/622
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種雙向高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料的制備方法，屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。該方法通過(guò)將超高模量、高導(dǎo)熱碳纖維單向布或雙向布、高導(dǎo)熱石墨膜疊層、瀝青粉末三者交替鋪層反復(fù)熱壓?碳化，化學(xué)氣相沉積，反復(fù)高壓浸漬高殘?zhí)紴r青?碳化，最后石墨化獲得雙向高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料。該碳/碳復(fù)合材料在在X軸和Y軸方向均具有很高的熱導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度，應(yīng)用范圍廣泛。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種雙向高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料的制備方法，屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著科技日新月異的快速發(fā)展，高端設(shè)備上所使用的元器件的發(fā)熱量越來(lái)越大，如何將熱量高效導(dǎo)出成為了目前亟待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題。高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料具有高比模、高比強(qiáng)、低密度、抗熱震、抗燒蝕、高導(dǎo)熱、低膨脹等一系列優(yōu)異性能，無(wú)論是導(dǎo)彈鼻錐、飛機(jī)剎車片、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯、航天飛機(jī)機(jī)翼前緣和鼻錐等航空航天軍事裝備，還是電腦、5G設(shè)備、移動(dòng)通訊設(shè)備等民用電器裝置元件，都具有廣泛應(yīng)用的潛力。

從目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，用于制備高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料的碳纖維主要有瀝青基碳纖維、氣相生長(zhǎng)碳纖維。碳基體主要是熱解碳、瀝青碳等。瀝青基碳纖維制備高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料的方法也各不相同，國(guó)內(nèi)大都是先將1500℃左右碳化的、具有較好柔性的瀝青基碳纖維編制成碳布，然后進(jìn)行碳/碳板的制備工藝，最后一起在2800～3000℃高溫下石墨化，這樣碳纖維的高溫石墨化收縮會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不佳，如何將超高模量、高導(dǎo)熱的石墨纖維通過(guò)熱壓、浸漬、氣相沉積、碳化等工藝直接用于高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料的制備是目前需要研究和解決的問(wèn)題。另外，目前國(guó)內(nèi)外基本都是制備雙向高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料，制備雙向高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料的消息鮮有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種雙向高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料的制備方法，該方法所制備的碳/碳復(fù)合材料在兩個(gè)方向(X、Y方向)上都具有極高的熱導(dǎo)率，應(yīng)用范圍更加廣泛，導(dǎo)熱/散熱效率更高。

本發(fā)明所提供的雙向高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料的制備方法，主要包括下述步驟：

步驟(1)，將超高模量、高導(dǎo)熱碳纖維布、高導(dǎo)熱石墨膜疊層、瀝青粉末三者交替鋪設(shè)成層狀在相應(yīng)大小的不銹鋼模具中，然后放在熱壓機(jī)上并在一定的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)下熱壓復(fù)合成型，保溫保壓一段時(shí)間后，自然降溫，獲得預(yù)制體；

步驟(2)，將不脫模具的預(yù)制體在700～1800℃的惰性氣體環(huán)境下碳化0.1～8h，冷卻之后取出，然后反復(fù)在不銹鋼模具中鋪撒瀝青熱壓、碳化1～12次得到低密度碳/碳復(fù)合材料；經(jīng)過(guò)步驟(1)和(2)最終低密度碳/碳復(fù)合材料中碳纖維布、石墨膜疊層通過(guò)瀝青滲透粘合在一起形成完全的一體化；

步驟(3)，以烴類氣體為碳源，通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方式在800～2100℃的條件下對(duì)低密度碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行沉積滲透熱解碳來(lái)達(dá)到增密、增強(qiáng)的目的，沉積時(shí)間為10～700h，獲得中等密度的碳/碳復(fù)合材料，在此過(guò)程烴類氣體滲透沉積到低密度碳/碳復(fù)合材料的空隙中直至復(fù)合材料密度或者重量穩(wěn)定不再變化；

步驟(4)，將中等密度的碳/碳復(fù)合材料通過(guò)1～15次反復(fù)的高壓浸漬熔融高殘?zhí)紴r青、碳化來(lái)獲得高密度的碳/碳復(fù)合材料，在此過(guò)程熔融高殘?zhí)紴r青填充到中等密度的碳/碳復(fù)合材料的空隙中直至復(fù)合材料密度或者重量穩(wěn)定不再變化；

步驟(5)，將高密度的碳/碳復(fù)合材料在2400～3000℃的惰性氣體條件下高溫石墨化0.1～30h，自然冷卻后獲得雙向高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料。

上述方法步驟(1)中所述超高模量、高導(dǎo)熱碳纖維布為單向布或雙向布，是由單根拉伸模量≥500GPa，導(dǎo)熱系數(shù)≥400W/(m·K)的碳纖維編制而成的；若使用超高模量、高導(dǎo)熱碳纖維單向布，則單向布的超高模量、高導(dǎo)熱碳纖維軸向在復(fù)合材料中的X軸以及Y軸方向均雙向分布，具體鋪層方式根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整；若使用超高模量、高導(dǎo)熱碳纖維雙向布，既可同一方向鋪層，也可垂直方向鋪層；超高模量、高導(dǎo)熱碳纖維單向布或雙向布以及石墨膜疊層的層數(shù)為1層或多層，根據(jù)實(shí)際需求自由調(diào)整。