[发明专利]一种金刚石薄膜增强碳/碳复合材料热导率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金刚石薄膜增强碳/碳复合材料热导率的方法，属于碳/碳复合材料制造技术领域。 

背景技术

高导热碳/碳复合材料以其优异的低密度、高导热性、低膨胀系数和独有的高温高强度（可应用于高达3000℃无氧或低氧环境中，材料强度从室温到2000℃随温度升高而升高）等性能成为目前最佳的高导热候选材料，有望代替传统材料，在新型热管理材料研发中占据主导地位，广泛用于国防和电子等领域。碳/碳复合材料的宏观性能与材料各部组分碳的结构密切相关，很大程度上取决于原材料的性能、制备工艺和条件等，因此制备高导热碳/碳复合材料，必须从原材料、前驱体结构、制备工艺等方面综合考虑。增强体碳纤维是碳/碳复合材料中材料中热传递的重要通道，因此，碳纤维的物理、化学性质、基体中的体积含量、分布状况等显著影响碳/碳材料的导热性能。目前用于高导热碳/碳复合材料制备的碳纤维主要包括各类中间相沥青基碳纤维、气相生长碳纤维等。 

碳纤维在过去的40年里是工业化最成功的新型碳材料，带动了军事及其他高技术领域的发展。因其具有高强高模、优异的耐热稳定性和传热导电性以及轻质等特点，在从体育用品到航空航天材料领域得到广泛的应用。目前应用最广泛的是聚丙烯腈炭纤维（PAN-CF）和沥青基炭纤维。PAN-CF工业化已有30多年的历史，现在已能获得较高力学性能的产品，但其热导率却较低。中间相沥青纤维转变成碳纤维的碳收率为80～90wt％，它比PAN基和黏胶基纤维容易 石墨化，所获得的中间相沥青碳纤维中，石墨微晶沿纤维轴向高度择优取向并具有较少的晶格缺陷，因而具有更高的传热、导电性能。目前美国Amoco公司和日本Mitsubishi Chemical公司开发研制的商业化高导热中间相沥青纤维走在世界的前沿，已开发了不同牌号的石墨纤维，中间相沥青碳纤维的高热导率主要来自沿纤维轴向微晶的高度择优取向结构。美国学者用具有良好热转移能力的石墨和碳/碳复合材料作为抗等离子溅蚀材料，表1给出了其中部分生产厂家采用不同碳纤维所制备的高导热碳/碳复合材料。由表中可以看出目前对于高导热碳/碳复合材料研制主要集中在高导热连续碳纤维为增强体的C/C复合材料。 

表1美国部分碳基高导热复合材料 

综上所述，高导热碳/碳复合材料通常采用具有高热导率的中间相沥青基碳纤维作为增强体，以具有高取向度、易石墨化的中间相沥青热解碳为基体，从而获得较高的导热性能。但其关键原材料中间相沥青基碳纤维及中间相沥青属于战略物资，各国普遍实施材料及技术封锁政策，导致原材料长期处于有价无市状态，导致价格高企，直接提高了高导热碳/碳复合材料的原料成本。此外，由于原材料中间相沥青的特殊性质，在材料复合过程中对设备的高温高压耐受性及温度控制精确性要求较为苛刻，更是进一步推高了高导热碳/碳复合材料的制备成本，大大限制了高导热碳/碳复合材料在国防和民用领域的广泛应用。 

发明内容

本发明的目的是针对高导热碳/碳复合材料制备成本高昂的问题，提出一种金刚石薄膜增强碳/碳复合材料热导率的方法，降低高导热碳/碳复合材料制备成本，简化材料制备工艺，进一步拓展碳/碳复合材料应用领域。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。 

本发明的一种金刚石薄膜增强碳/碳复合材料热导率的方法，以T300碳纤维布为原料，采用直流电弧等离子体喷射沉积技术在T300碳纤维布及纤维表面沉积一层连续的金刚石薄膜，随后采用低温热压与沥青浸渍增密工艺制备材料，并控制材料最高热处理温度低于1650℃，可简化设备需求和制备工艺，缩短材料制备周期，实现材料的低成本制备。所制材料导热性能提高的实质在于高热导率连续金刚石薄膜的增强作用，该方法的步骤为： 

1）按照金刚石薄膜沉积设备尺寸和需要制备的材料大小裁剪碳纤维布，随后放入丙酮溶液中进行超声清洗处理，超声处理时间不小于15min，去除碳纤维表面的保护胶层； 

2）采用30千瓦级高功率直流电弧等离子体喷射（DC Arc Plasma Jet）设备进行T300碳纤维布表面金刚石膜沉积；将步骤1）中处理好的碳纤维布平整放置在沉积室内样品台上，使碳纤维布与样品台紧密贴合，并用夹具固定，防止沉积过程中被气流吹跑； 

3）将步骤2）中处理好的碳纤维布浸泡在酚醛树脂浸渍液中，待碳纤维布完全浸润后取出，空气中自然晾干； 

4）将步骤3）中处理好的碳纤维布进行叠层热压； 

5）将步骤4）中处理好的材料放入碳化炉中进行常压碳化处理；