一種定向高導熱碳納米管復合材料及制備方法與流程

本發明涉及一種定向高導熱碳納米管復合材料及制備方法，是利用高定向碳納米管預制體為骨架、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合材料，屬于高溫熱管理材料技術領域。

背景技術：

隨著電子科技及制造工業技術的飛速發展，產品設計特別是電子產品對輕質、高效、可靠等方面的性能追求越來越強烈，勢必也對材料領域提出了大的挑戰。高溫熱管理材料是指在高溫環境下能夠保持較高的導熱性能和化學穩定性的一類材料，是新型電子產品以及高精尖儀器設備的關鍵部件、部位用熱疏導材料的發展方向。高溫熱管理材料主要包括：瀝青碳纖維、氣相生長碳纖維、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構，使其擁有較高的導熱及導電性能；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；傳統碳納米管材料密度低、導熱性能優異，但力學性能不足且定向性差；碳/碳化硅抗氧化性能與力學性能均較好，但密度較高。發展低密度耐高溫下使用的材料是當前熱疏導材料技術領域的熱點和難點，因此，開發有效的熱疏導材料降低產品材料的熱環境，一定程度上提高現有材料使用壽命，從而進一步提升產品性能。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決現有散熱系統、電子系統和傳動系統等高溫部件材料局部溫度過高難以滿足性能需要的難題，針對定向碳納米管獨特的高導熱性能，提出一種定向高導熱碳納米管復合材料及制備方法，該方法能實現定向碳納米管材料的有效復合成型并保持優異的導熱性能，該方法工藝過程簡單，適合于工程化應用。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

本發明是一種定向高導熱碳納米管復合材料及制備方法，以定向碳納米管薄膜預制體為主結構骨架，通過液相泡浸、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，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，在引入過程中，為了提高不同時期的引入效率，設計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題，實現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熱性能。

該方法的具體步驟為：一種定向高導熱碳納米管復合材料，其特點在于：骨架為低密度≤0.5g/cm³且同方向碳納米管比例超過80％，以同向碳納米管陣列為預制體，中間相瀝青摻雜石墨稀為基體材料進行復合，完成后的復合材料在預制體軸向方向導熱率≥100W/m·k，且與非軸向方向導熱率差異超過50W/m·k以上。

碳納米管預制體單元為定向陣列連續抽出形成的薄膜結構，預制體密度小于0.2g/cm³，結構為軸向鋪層結構，薄膜厚度范圍0.1-0.5mm。

一種定向高導熱碳納米管復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)在碳納米管生長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橫向抽出連續碳管至成膜后，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、石墨稀進行細混，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，對步驟(1)得到的一定厚度的碳納米管骨架毛坯進行浸漬、熱壓成型、高溫處理，先進行常壓浸泡,再將樣品用混合粉體包埋在訂制的限位工裝內進行熱壓固化、碳化和高溫處理，得到半致密化定向碳納米管復合材料；

(5)利用對步驟(4)獲得的半致密化定向碳納米管復合材料進行進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合材料。

所述步驟(4)中的常壓浸泡時間為1h。

所述步驟(3)超聲分散時間為0.5-1h，高速攪拌時間為1h。

所述步驟(2)超聲分散時間為0.5-1h，高速球磨時間為8-10h。烘干條件80-100℃,4-6小時。

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1-2次。對上述方法制備的定向高導熱碳納米管復合材料的密度及熱導率測試，并對其復合后微觀結構進行觀察與分析。

本發明與現有技術相比的優點在于：

(1)本發明以定向碳納米管陣列為主導熱骨架，可以有效降低復合材料密度，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、高導熱性能為復合材料的綜合性能提供了重要保障。

(2)本發明制備的定向高導熱碳納米管復合材料具有輕質、耐高溫及高導熱率等優異性能，密度0.2～0.5g/cm³，在300℃下導熱率≥100W.m/k，表現出較好的導熱性能優勢，可應用于新型電子設備、儀器、高功率動力系統、傳動系統以及散熱系統等熱疏導材料。

附圖說明

圖1為本發明的定向高導熱碳納米管復合材料制備方法的流程圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步說明。但本發明的內容不僅僅只局限于下面的實施例：

實施例1

定向高導熱碳納米管復合材料，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，一種定向高導熱碳納米管復合材料的制備方法，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，再進行高溫預處理，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量比100:0.5混合，按1:1體積比放入無水乙醇中分散，采用超聲分散、高速球磨及烘箱烘干，超聲分散時間為1h，球磨時間為8h，烘箱80℃、6小時，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水乙醇混合，基體粉體與無水乙醇的質量比為1:2。經高速機械攪拌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步驟1)得到的低密度纖維骨架毛坯進行浸漬、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2次，得到半致密化定向高導熱碳納米管復合材料；

(5)利用中間相瀝青及石墨稀粉體對步驟(4)獲得的半致密化定向高導熱碳納米管復合材料進行進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1-2次，得到定向高導熱碳納米管復合材料。

對上述方法制備的定向高導熱碳納米管復合材料進行性能測試與評價表征。測試結果為：(1)骨架密度≤0.5g/cm³；(2)碳納米管比例超過80％，(3)300℃熱導率≥150W/m·K。(4)碳納米管預制體單元為定向陣列連續抽出形成的薄膜結構，預制體密度≤0.2g/cm³，結構為軸向鋪層結構，薄膜厚度范圍0.1-0.5mm。

實施例2

如圖1所示，一種定向高導熱碳納米管復合材料的制備方法，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碳納米管預制體進行界面高溫處理，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量比100:0.1混合，按1:1體積比放入無水乙醇中超聲分散、高速球磨及烘箱烘干，超聲分散時間為1h，球磨時間為8h，烘箱80℃、6小時，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水乙醇混合，中間相瀝青粉體與無水乙醇的質量比為1:2。經高速機械攪拌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步驟(1)得到的低密度纖維骨架毛坯進行浸漬、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2次，得到半致密化定向高導熱碳納米管復合材料；

(6)利用中間相瀝青粉體對步驟(4)獲得的半致密化的定向高導熱碳納米管復合材料進行進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1-2次，得到定向高導熱碳納米管復合材料。

對上述方法制備的定向高導熱碳納米管復合材料進行性能測試與評價表征。測試結果為：(1)即骨架為低密度≤0.5g/cm³且同方向碳納米管比例超過80％，(2)復合材料在預制體軸向方向導熱率≥100W/m·k，且與非軸向方向導熱率差異超過50W/m·k以上。(3)碳納米管預制體單元為定向陣列連續抽出形成的薄膜結構，預制體密度小于0.2g/cm³，結構為軸向鋪層結構，薄膜厚度范圍0.1-0.5mm。

實施例3：

如圖1所示，一種定向高導熱碳納米管復合材料的制備方法，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碳納米管預制體進行界面高溫處理，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，超聲分散時間為0.5h，球磨時間為8h，烘箱80℃、6小時，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水乙醇混合，中間相瀝青粉體與無水乙醇的質量比為1:2。經高速機械攪拌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步驟(1)得到的低密度纖維骨架毛坯進行浸漬、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2次，得到半致密化定向高導熱碳納米管復合材料；

(6)利用中間相瀝青粉體對步驟(4)獲得的半致密化定向高導熱碳納米管復合材料進行進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1-2次，得到致密的定向高導熱碳納米管復合材料。

對上述方法制備的定向高導熱碳納米管復合材料進行性能測試與評價表征。測試結果為：(1)即骨架為低密度≤0.5g/cm³且同方向碳納米管比例超過80％，(2)復合材料在預制體軸向方向導熱率≥100W/m·k，且與非軸向方向導熱率差異超過50W/m·k以上。(3)碳納米管預制體單元為定向陣列連續抽出形成的薄膜結構，預制體密度小于0.2g/cm³，結構為軸向鋪層結構，薄膜厚度范圍0.1-0.5mm。