一種快速制備高熱導(dǎo)率炭/炭復(fù)合材料的方法
【專利說(shuō)明】
[0001]技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種炭/炭復(fù)合材料的制備方法，特別涉及一種短切碳纖維增強(qiáng)的高熱導(dǎo)率炭/炭復(fù)合材料的快速制備方法。
[0002]【背景技術(shù)】:
隨著科技的進(jìn)步和深入發(fā)展，高功率密度電子器件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，高功率密度電子器件的發(fā)展也越來(lái)越趨向于小型化、輕量化、集成化。高功率密度器件的集成度越高，其運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量越多，若這些熱量不能及時(shí)傳導(dǎo)出去，將對(duì)電子器件的正常運(yùn)行及系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性造成嚴(yán)重影響。傳統(tǒng)散熱材料(鋁、銅、銀)由于密度大、熱膨脹系數(shù)高、純度低等因素的局限性，已逐漸難以適應(yīng)在高導(dǎo)熱環(huán)境下的應(yīng)用要求。高熱導(dǎo)率炭/炭復(fù)合材料具有密度低、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小、高溫強(qiáng)度優(yōu)異(惰性氣氛下，炭/炭復(fù)合材料的強(qiáng)度隨溫度升高而升高)等特點(diǎn)，成為目前熱管理領(lǐng)域最佳候選材料，能替代傳統(tǒng)散熱材料(鋁、銅、銀)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子及核領(lǐng)域。
[0003]炭/炭復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)在微觀層面主要依賴碳原子的晶格振動(dòng)，與炭材料微晶結(jié)構(gòu)的有序度成正比。在宏觀層面，炭/炭復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)取決于碳纖維的含量、種類(聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、中間相瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維)及碳纖維束的取向，并受基體炭類型、纖維/基體炭界面的影響。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)提高炭/炭復(fù)合材料熱導(dǎo)率的研究也主要從以上方面著手。
[0004]中國(guó)專利“CN102504770B，一種高導(dǎo)熱炭/炭復(fù)合材料的制備方法”采用縮合多核芳香烴樹(shù)脂作為粘接劑，以中間相瀝青基碳纖維作為增強(qiáng)材料，以瀝青作為浸漬劑，采用熱模壓、炭化、致密化、高溫?zé)崽幚砉に囍苽涑隽烁邔?dǎo)熱率的炭/炭復(fù)合材料，其室溫?zé)釋?dǎo)率在288.9?386.3ff/mXK之間。中國(guó)專利“CN103387406B，一種二維高熱導(dǎo)率碳/碳復(fù)合材料的制備方法”以中間相瀝青基炭布作為增強(qiáng)體，以樹(shù)脂溶液作為粘接劑，以中溫煤瀝青作為浸漬劑，采用低溫?zé)釅撼尚?、常壓炭化、高壓浸漬煤瀝青并常壓炭化、石墨化處理的工藝制備出了密度大于1.95g/cm3，室溫?zé)釋?dǎo)率大于350W/mXK的炭/炭復(fù)合材料。中國(guó)專利“CN 103408315B，一種三維中間相瀝青基高熱導(dǎo)率碳/碳復(fù)合材料及其制備工藝”提出以中間相瀝青基碳纖維作為XY向增強(qiáng)體，以高模量碳纖維作為Z向增強(qiáng)纖維，以中間相瀝青作為浸漬劑，采用常壓與高壓浸漬相結(jié)合的浸漬方法，通過(guò)炭化、石墨化處理制得了密度大于
1.95g/cm3，XY向熱導(dǎo)率大于340W/mXK的炭/炭復(fù)合材料。上述方法中均以連續(xù)中間相瀝青基碳纖維作為增強(qiáng)材料(中間相瀝青基碳纖維的熱導(dǎo)率高，軸向熱導(dǎo)率> 1000W/mXK)，但是這種碳纖維主要依賴進(jìn)口、價(jià)格昂貴、纖維編織成型費(fèi)用也高，使得制備出來(lái)的炭/炭復(fù)合材料非常昂貴，極大限制了其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。
[0005]中國(guó)專利“ZL200310109699.7，一種高導(dǎo)熱炭/炭復(fù)合材料的制備方法”提出以中間相瀝青基短切碳纖維為增強(qiáng)材料，以中間相瀝青和煤焦油瀝青為粘接劑，采用熱模壓成型、炭化、致密化、高溫處理等一系列常規(guī)工藝，制備出了高導(dǎo)熱率的短切碳纖維炭/炭復(fù)合材料；通過(guò)改變短切碳纖維和中間相瀝青粘接劑的比例、熱模壓的溫度、壓力、時(shí)間、高溫?zé)崽幚頊囟?，得到了不同密度的?炭復(fù)合材料，材料的室溫?zé)釋?dǎo)率在242-396W/mXK之間。中國(guó)專利“ZL 200410012434.X，一種快速制備高導(dǎo)熱炭/炭復(fù)合材料的方法”提出對(duì)中間相瀝青進(jìn)行預(yù)氧化處理，通過(guò)調(diào)整中間相瀝青基短切碳纖維的長(zhǎng)度、碳纖維與中間相瀝青粘接劑的比例、中間相瀝青中中間相的含量、中間相瀝青的預(yù)氧化時(shí)間、溫度等參數(shù)，采用集成型、炭化、石墨化為一體的熱壓燒結(jié)工藝，快速制備出了高導(dǎo)熱率的中間相瀝青基短切碳纖維增強(qiáng)的炭/炭復(fù)合材料，其室溫?zé)釋?dǎo)率在334-420W/mXK之間。上述方法中將中間相瀝青基短切碳纖維與中間相瀝青按比例混合，采用熱壓成型工藝，經(jīng)循環(huán)浸漬-炭化、石墨化制得高熱導(dǎo)率炭/炭復(fù)合材料，但是長(zhǎng)度1?10_的中間相瀝青基短切碳纖維易團(tuán)聚，在中間相瀝青中分散不均，造成材料性能分散性大且不穩(wěn)定。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種以均勻分散的中間相瀝青基短切碳纖維為增強(qiáng)體、快速制備高熱導(dǎo)率炭/炭復(fù)合材料的方法。
[0007]本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案如下:
一種快速制備高熱導(dǎo)率炭/炭復(fù)合材料的方法，包括以下步驟:
(1)將水和分散劑按照質(zhì)量百分比為100:(0.1?0.5)的配比進(jìn)行均勻攪拌，再加入占水質(zhì)量10-60wt.%的中間相瀝青基短切碳纖維進(jìn)行混合；
(2 )將步驟(1)中得到的水溶液進(jìn)行超聲振蕩，對(duì)其中的中間相瀝青基短切碳纖維進(jìn)行進(jìn)一步的分散，超聲振蕩分散時(shí)水溫控制在40±5°C，振蕩分散時(shí)間為45±5分鐘；
(3)將步驟(2)中制得的中間相瀝青基短切碳纖維懸浮液注入模具中，置于0°C以下冷凍成固態(tài)塊體，隨后在冷凍干燥機(jī)上進(jìn)行冷凍干燥、脫模，得到中間相瀝青基短切碳纖維坯體；將短切碳纖維坯體經(jīng)10.0MPa壓力成型，得到中間相瀝青基短切碳纖維增強(qiáng)體；
(4)將步驟(3)制得的中間相瀝青基短切碳纖維增強(qiáng)體進(jìn)行煤瀝青浸漬-炭化處理，浸漬溫度:180?280°C，壓力L 0?3.0MPa，浸漬時(shí)間1?5小時(shí)；炭化溫度900?1200°C，炭化升溫速率1?10°C /分鐘，炭化壓力1.0?2.0MPa,炭化時(shí)間2小時(shí)；浸漬-炭化處理循環(huán)進(jìn)行4?7次，制得炭/炭復(fù)合材料；
(5)對(duì)步驟(4)制得的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行高溫石墨化處理，石墨化溫度3000°C，并在石墨化溫度下保溫2小時(shí)。
[0008]在步驟(1)中，所述分散劑為甲基纖維素、羧甲基纖維素鈉、羥乙基纖維素、聚丙烯酸鈉中的一種或多種。
[0009]在步驟(1)中，所述中間相瀝青基短切碳纖維的纖維長(zhǎng)度為1?10mm。
[0010]本發(fā)明選用中間相瀝青基短切碳纖維作為增強(qiáng)體、中間相瀝青作為粘接劑，經(jīng)壓力成型，采用炭化、致密化、石墨化等常規(guī)工藝路線，制備出高熱導(dǎo)率的炭/炭復(fù)合材料。
[0011]本發(fā)明涉及的高熱導(dǎo)率炭/炭復(fù)合材料制備方法中纖維分散性可通過(guò)改變分散劑的種類、含量來(lái)控制；材料的熱導(dǎo)率可通過(guò)調(diào)整中間相短切碳纖維的含量、瀝青浸漬劑的種類等參數(shù)來(lái)控制。
[0012]本發(fā)明所涉及的原料易得，工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)成本低，所制備的炭/炭復(fù)合材料的密度和熱導(dǎo)率高，在室溫下垂直壓力成型方向的熱導(dǎo)率為322-368W/mXK。
[0013]本發(fā)明與【背景技術(shù)】中所述的方法相比有如下優(yōu)點(diǎn):
(1)纖維分散更加均勻，材料性能一致性更好。
[0014](2)原料易得，工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)成本低。
[0015](3)制備的炭/炭復(fù)合材料的熱導(dǎo)率高于鋁、銅等傳統(tǒng)散熱材料。
[0016](4)通過(guò)調(diào)整模具可制備具有復(fù)雜形狀的部件。
[0017]【具體實(shí)施方式】:
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本
【發(fā)明內(nèi)容】
做進(jìn)一步的解釋說(shuō)明:
實(shí)施例1:
一種快速制備高熱導(dǎo)率炭/炭復(fù)合材料的方法，包括以下步驟:
(1)將水和甲基纖維素按照質(zhì)量百分比為100:0.5的配比進(jìn)行均勻攪拌，再加入占水質(zhì)量lOwt.%的中間相瀝青基短切碳纖維(纖維長(zhǎng)度1?10mm)進(jìn)行混合；
(2 )將步驟(1)中得到的短切碳纖維懸浮液進(jìn)行超聲振蕩，對(duì)其中的中間相瀝青基短切碳纖維進(jìn)行進(jìn)一步的分散，超聲振蕩分散時(shí)水溫為40±5°C，振蕩分散時(shí)間為45±5分鐘；
(3)將步驟(2)中制得的中間相瀝青基短切碳纖維懸浮液注入石墨模具中，置于-196°C以下冷凍成固態(tài)塊體，隨后在冷凍干燥機(jī)上冷凍干燥48小時(shí)，脫模，得到中間相瀝青基短切碳纖維坯體；短切碳纖維坯體經(jīng)10.0MPa壓力成型，得到中間相瀝青基短切碳纖維增強(qiáng)體；
(4)將步驟(3)制得的中間相瀝青基短切碳纖維增強(qiáng)體進(jìn)行煤瀝青浸