[发明专利]一种纳微米碳纤维复合毡及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳微米碳纤维复合毡及其制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

纳米碳纤维是指直径在50纳米到200纳米的碳纤维，区别于常规微米级碳纤维(直径在5微米～10微米)和纳米碳管(直径为1纳米到50纳米)。纳米碳纤维在尺寸级别上填补了纳米碳管和常用微米级碳纤维的缺口，同时由于一维纳米尺寸效应，纳米碳纤维具有与纳米碳管相近的优异导电导热性、高模高强、低密度以及大的弹性变形等特点。

纳米碳纤维是由单层或多层石墨平行堆积或与纤维轴线呈一定夹角堆积而成的中空结构，具有大长径比、高比表面积、低密度和弹性变形大等优良的力学性能，还具备高电导率和热导率的特点，无论从力学性能还是导电导热功能方面都适合充当结构功能复合材料的增强体。由于其大长径比和中空管状结构，电子迁移速度极快，电阻很小，电荷迁移率非常高，电流极易通过且几乎没有任何损失，故导电率很高。研究表明纳米碳纤维的电流负载能力接近铜导线的1000倍，且能在很高的载流密度下依然保持较高的热稳定性。该原理同样适用于导热性能，其一维量子隧道效应加强了热交换率。

随着社会技术的不断进步，对高性能复合材料产品尤其是碳纤维增强的复合材料产品需求越来越大。与此同时，科技进步对导电、导热等功能性复合材料的需求增长快速，纳米碳纤维由于上述的优异导电导热性能，成为复合材料功能改性的重点研究对象。

目前，制备纳米碳纤维的方法主要有3种：电弧放电、激光蒸发、化学气相沉积(CVD法)，工业化生产主要采用第3种。一般生产的纳米碳纤维具有高比表面积和长径比，多呈束状缠绕，以毡状形态存在，既不溶于水也不溶于有机溶剂，分散效率极低。通常需进行相当繁琐的后处理工序才能将互相缠绕的纳米碳纤维分开，方可作为导电导热及力学增强材料使用。但即使经过后期多种物理和化学方式处理，其在基体中仍极易团聚和缠绕。且由于团聚后的状态已不是纳米级，故而也失去了纳米尺度下独特的物理化学性能，影响其优异性能的发挥。可以说纳米碳纤维在基体中的均匀分散效率是制约其在高性能复合材料工程应用的最大障碍。

针对纳米碳纤维的分散难题，若直接将制备所得的纳米碳纤维毡用于复合材料成型，又存在制备成本高、操作工艺性差等问题。首先纳米碳纤维的制备成本较高，每克约1000美元，有“贵比黄金”之称。主要有两方面原因：(1)制备纳米碳纤维的设备复杂，相关制备工艺参数控制要求高；(2)由于需在高温(700-1100℃)和相对密封的空间内生长，故目前高质量的纳米碳纤维难以实现大规模生产。其次，制约纳米碳纤维直接作为复合材料增强体的另一难题是工艺操作性差，纳米碳纤维呈松散毡状，厚度仅约0.02毫米，与常用微米碳纤维相比较薄，薄的松散毡在铺层过程中不能较好的随形铺覆，尤其是在模具或芯材曲率变化较大的部位，若无其他材料作为基底支撑而单纯靠纳米碳纤维层，很容易断裂或散开，制备的预成型体质量差。最后，厚度薄对制造成本提出了较高要求。以2毫米厚复合材料制备为例，如果均采用纳米碳纤维，需要铺覆100层才能满足厚度要求，材料成本和下料、铺覆等工序的制造成本比较高。同时，将100层毡状纳米碳纤维层叠放在一起，不仅多层纤维中裹入的气泡多，且总厚度远远大于理论厚度，不利于高质量预成型体的制备。

综上所述，由于制备成本高和工艺操作性差限制了纳米碳纤维作为增强体在复合材料设计制备中的应用。目前产品生产过程中预成型中间体主要以微米级碳纤维为主(95％以上)，如单向布、平纹布等各种类型的织物及单向预浸料等，生产及操作工艺成熟，材料成本低廉。但采用其成型后的复合材料导电导热性能差，无法直接应用于有电、热性能要求的环境中；其次，产品的层间剪切强度低，受到外力容易产生层间破坏，限制了其进一步应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了可大幅提高电导率和热导率、且能最大限度的保持长连续纤维的力学性能并改善产品层间强度的纳微米碳纤维复合毡及其制备方法，为导电导热复合材料产品提供一种预成型中间体选择。

本发明的技术解决方案：一种纳微米碳纤维复合毡，由纳米碳纤维层和微米碳纤维层交替组合而成，所述的纳米碳纤维层为单层纳米碳纤维毡构成，所述的微米碳纤维层由1～4层的微米碳纤维单层组成，每一层微米碳纤维层中微米碳纤维单层的总数相等、相差1层或相差2层。

纳米碳纤维层由单层纳米碳纤维毡构成，纳米碳纤维毡采用通用方法如化学气相沉积(CVD)等方法制备得到松散毡状形态，纳米碳纤维毡的厚度一般为0.015毫米～0.02毫米，单位面积重量为16克～20克/平方米，纳米碳纤维直径50纳米到200纳米。