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(duì)輕質(zhì)、高效、可靠等方面的性能追求越來(lái)越強(qiáng)烈，勢(shì)必也對(duì)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(lèi)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(zhǎng)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(kāi)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。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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(guò)高難以滿(mǎn)足性能需要的難題，針對(duì)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(guò)程簡(jiǎn)單，適合于工程化應(yīng)用。

本發(fā)明的目的是通過(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)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^(guò)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(zhǎng)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(wú)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(duì)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(duì)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。

所述步驟(4)中高溫處理溫度為1800～2200℃、保溫2～4h.

所述步驟(5)中的熱等靜壓壓力50-80MPa，溫度：700-900℃。

所述步驟(5)中的高溫處理溫度為2000～2300℃，保溫2～4h；重復(fù)1-2次。對(duì)上述方法制備的定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料的密度及熱導(dǎo)率測(cè)試，并對(duì)其復(fù)合后微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察與分析。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明以定向碳納米管陣列為主導(dǎo)熱骨架，可以有效降低復(fù)合材料密度，以中間相瀝青為基體起到固定、支撐作用，高定向碳納米管陣列及中間相瀝青材料具有的低密度、高導(dǎo)熱性能為復(fù)合材料的綜合性能提供了重要保障。

(2)本發(fā)明制備的定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料具有輕質(zhì)、耐高溫及高導(dǎo)熱率等優(yōu)異性能，密度0.2～0.5g/cm³，在300℃下導(dǎo)熱率≥100W.m/k，表現(xiàn)出較好的導(dǎo)熱性能優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于新型電子設(shè)備、儀器、高功率動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及散熱系統(tǒng)等熱疏導(dǎo)材料。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料制備方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅只局限于下面的實(shí)施例：

實(shí)施例1

定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料，該材料是以定向碳納米管陣列為骨架，密度≤0.5g/cm³。

如圖1所示，一種定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料的制備方法，具體步驟為：

(1)在制備的定向碳納米管原始基板上，利用牽引針選取尺寸為100mm×100mm進(jìn)行定向碳納米管薄膜拉出并按照軸向方向依次按照0℃、180℃依次疊加鋪放，鋪放厚度≥200mm，再進(jìn)行高溫預(yù)處理，處理溫度為2000℃，保溫2h，得到高趨向低密度納米纖維骨架毛坯；

(2)將平均粒徑0.5～2μm、純度大于99％的中間相瀝青粉末和石墨稀粉末按質(zhì)量比100:0.5混合，按1:1體積比放入無(wú)水乙醇中分散，采用超聲分散、高速球磨及烘箱烘干，超聲分散時(shí)間為1h，球磨時(shí)間為8h，烘箱80℃、6小時(shí)，得到摻雜石墨稀的中間相瀝青粉體；

(3)將步驟(2)得到的摻雜石墨稀的中間相瀝青粉體與無(wú)水乙醇混合，基體粉體與無(wú)水乙醇的質(zhì)量比為1:2。經(jīng)高速機(jī)械攪拌1h、超聲分散1h，得到摻雜石墨稀的中間相瀝青漿料；

(4)利用步驟(3)得到的摻雜石墨稀的中間相瀝青漿料對(duì)步驟1)得到的低密度纖維骨架毛坯進(jìn)行浸漬、熱壓固化、碳化。浸漬為常壓泡浸；熱壓溫度為280℃、保溫4h；碳化溫度為850℃、保溫4h；高溫處理溫度為2000℃、保溫2h。重復(fù)2次，得到半致密化定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料；

(5)利用中間相瀝青及石墨稀粉體對(duì)步驟(4)獲得的半致密化定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料進(jìn)行進(jìn)一步熱等靜壓處理及高溫處理。熱等靜壓壓力60MPa，溫度：900℃，高溫處理溫度為2000℃，保溫2h。重復(fù)1-2次，得到定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料。

對(duì)上述方法制備的定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料進(jìn)行性能測(cè)試與評(píng)價(jià)表征。測(cè)試結(jié)果為：(1)骨架密度≤0.5g/cm³；(2)碳納米管比例超過(guò)80％，(3)300℃熱導(dǎo)率≥150W/m·K。(4)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≤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。

實(shí)施例2

如圖1所示，一種定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料的制備方法，具體步驟為：

(1)在制備的定向碳納米管原始基板上，利用牽引針選取尺寸為100mm×100mm進(jìn)行定向碳納米管薄膜拉出并按照軸向方向依次按照0℃、180℃依次疊加鋪放，鋪放厚度≥200mm。

(2)選取尺寸為100mm×100mm×200mm碳納米管預(yù)制體進(jìn)行界面高溫處理，處理溫度為2000℃，保溫2h，得到低密度纖維骨架毛坯；

(3)將平均粒徑0.5～2μm、純度大于99％的中間相瀝青粉末和石墨稀粉末按質(zhì)量比100:0.1混合，按1:1體積比放入無(wú)水乙醇中超聲分散、高速球磨及烘箱烘干，超聲分散時(shí)間為1h，球磨時(shí)間為8h，烘箱80℃、6小時(shí)，得到摻雜石墨稀的中間相瀝青粉體；

(4)將步驟(2)得到的摻雜石墨稀的中間相瀝青粉體無(wú)水乙醇混合，中間相瀝青粉體與無(wú)水乙醇的質(zhì)量比為1:2。經(jīng)高速機(jī)械攪拌1h、超聲分散1h，得到摻雜石墨稀的中間相瀝青漿料；

(5)利用步驟(3)得到的摻雜石墨稀的中間相瀝青乙醇漿料對(duì)步驟(1)得到的低密度纖維骨架毛坯進(jìn)行浸漬、熱壓固化、碳化和高溫處理。浸漬為常壓泡浸；熱壓溫度為300℃、保溫4h；碳化溫度為850℃、保溫4h，高溫處理溫度為2300℃、保溫2h。重復(fù)2次，得到半致密化定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料；

(6)利用中間相瀝青粉體對(duì)步驟(4)獲得的半致密化的定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料進(jìn)行進(jìn)一步熱等靜壓處理及高溫處理。熱等靜壓壓力70MPa，溫度：900℃，高溫處理溫度為2300℃，保溫2h。重復(fù)1-2次，得到定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料。

對(duì)上述方法制備的定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料進(jìn)行性能測(cè)試與評(píng)價(jià)表征。測(cè)試結(jié)果為：(1)即骨架為低密度≤0.5g/cm³且同方向碳納米管比例超過(guò)80％，(2)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^(guò)50W/m·k以上。(3)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。

實(shí)施例3：

如圖1所示，一種定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料的制備方法，具體步驟為：

(1)在制備的定向碳納米管原始基板上，利用牽引針選取尺寸為100mm×100mm進(jìn)行定向碳納米管薄膜拉出并按照軸向方向依次按照0℃、180℃依次疊加鋪放，鋪放厚度≥200mm。

(2)選取尺寸為100mm×100mm×200mm碳納米管預(yù)制體進(jìn)行界面高溫處理，處理溫度為2300℃，保溫2h，得到低密度纖維骨架毛坯；

(3)將平均粒徑0.5～2μm、純度大于99％的中間相瀝青粉末按1:1體積比放入無(wú)水乙醇中分散，采用超聲分散、高速球磨及烘箱烘干，超聲分散時(shí)間為0.5h，球磨時(shí)間為8h，烘箱80℃、6小時(shí)，得到均勻顆粒直徑的中間相瀝青粉體；

(4)將步驟(2)得到的中間相瀝青粉體無(wú)水乙醇混合，中間相瀝青粉體與無(wú)水乙醇的質(zhì)量比為1:2。經(jīng)高速機(jī)械攪拌1h、超聲分散1h，得到中間相瀝青粉體的乙醇漿料；

(5)利用步驟(3)得到的中間相瀝青乙醇漿料對(duì)步驟(1)得到的低密度纖維骨架毛坯進(jìn)行浸漬、熱壓固化、碳化和高溫處理。浸漬為常壓泡浸；熱壓溫度為300℃、保溫4h；碳化溫度為850℃、保溫4h，高溫處理溫度為2300℃、保溫2h。重復(fù)2次，得到半致密化定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料；

(6)利用中間相瀝青粉體對(duì)步驟(4)獲得的半致密化定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料進(jìn)行進(jìn)一步熱等靜壓處理及高溫處理。熱等靜壓壓力70MPa，溫度：900℃，高溫處理溫度為2300℃，保溫2h。重復(fù)1-2次，得到致密的定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料。

對(duì)上述方法制備的定向高導(dǎo)熱碳納米管復(fù)合材料進(jìn)行性能測(cè)試與評(píng)價(jià)表征。測(cè)試結(jié)果為：(1)即骨架為低密度≤0.5g/cm³且同方向碳納米管比例超過(guò)80％，(2)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^(guò)50W/m·k以上。(3)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。