[发明专利]一种定向高导热碳纳米管复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种定向高导热碳纳米管复合材料及制备方法，是利用高定向碳纳米管预制体为骨架、中间相沥青为基体采用液相浸渍、热压、热等静压、高温处理的方法获得一种复合材料，属于高温热管理材料技术领域。

背景技术

随着电子科技及制造工业技术的飞速发展，产品设计特别是电子产品对轻质、高效、可靠等方面的性能追求越来越强烈，势必也对材料领域提出了大的挑战。高温热管理材料是指在高温环境下能够保持较高的导热性能和化学稳定性的一类材料，是新型电子产品以及高精尖仪器设备的关键部件、部位用热疏导材料的发展方向。高温热管理材料主要包括：沥青碳纤维、气相生长碳纤维、高定向碳纳米纤维、泡沫碳等。其中，沥青基碳纤维由于其近石墨单晶结构，使其拥有较高的导热及导电性能；但沥青基碳纤维脆性大、抗热冲击性能不足，且纤维较僵成形性较差；传统碳纳米管材料密度低、导热性能优异，但力学性能不足且定向性差；碳/碳化硅抗氧化性能与力学性能均较好，但密度较高。发展低密度耐高温下使用的材料是当前热疏导材料技术领域的热点和难点，因此，开发有效的热疏导材料降低产品材料的热环境，一定程度上提高现有材料使用寿命，从而进一步提升产品性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有散热系统、电子系统和传动系统等高温部件材料局部温度过高难以满足性能需要的难题，针对定向碳纳米管独特的高导热性能，提出一种定向高导热碳纳米管复合材料及制备方法，该方法能实现定向碳纳米管材料的有效复合成型并保持优异的导热性能，该方法工艺过程简单，适合于工程化应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明是一种定向高导热碳纳米管复合材料及制备方法，以定向碳纳米管薄膜预制体为主结构骨架，通过液相泡浸、热压固化和热等静压工艺引入一定含量基体碳纳米管阵列起到支撑和界面保护，以液相浸渍、固化、碳化工艺引入一定含量石墨稀的中间相沥青为基体，在引入过程中，为了提高不同时期的引入效率，设计选用了前期以中间相沥青掺杂石墨稀的常压、低压引入方法和后期高压碳化的引入方法，有效解决了引入含量和引入均匀性的问题，实现了中间相沥青及石墨稀组分的高效、均匀引入，在保持低密度的前提下大幅度提高了材料的导热性能。

该方法的具体步骤为：一种定向高导热碳纳米管复合材料，其特点在于：骨架为低密度≤0.5g/cm³且同方向碳纳米管比例超过80％，以同向碳纳米管阵列为预制体，中间相沥青掺杂石墨稀为基体材料进行复合，完成后的复合材料在预制体轴向方向导热率≥100W/m·k，且与非轴向方向导热率差异超过50W/m·k以上。

碳纳米管预制体单元为定向阵列连续抽出形成的薄膜结构，预制体密度小于0.2g/cm³，结构为轴向铺层结构，薄膜厚度范围0.1-0.5mm。

一种定向高导热碳纳米管复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在碳纳米管生长圆形基板上制备定向碳纳米管阵列，然后利用牵引针在阵列一侧横向抽出连续碳管至成膜后，按照轴向0℃、180℃叠加铺放；得到厚度≥200mm的碳纳米管骨架毛坯；

(2)将中间相沥青粉末、石墨稀进行细混，其中石墨稀按照＜1％比例添加，与乙醇混合球磨后烘干，得到掺杂石墨稀粉体的中间相沥青粉体；

(3)将步骤(2)得到的中间相沥青、石墨稀混合基体粉料，与无水乙醇按≤2倍的比例，超声分散后，得到掺杂石墨稀粉体的中间相沥青混合浆液；

(4)利用步骤(3)得到的掺杂石墨稀粉体的中间相沥青混合浆液，对步骤(1)得到的一定厚度的碳纳米管骨架毛坯进行浸渍、热压成型、高温处理，先进行常压浸泡,再将样品用混合粉体包埋在订制的限位工装内进行热压固化、碳化和高温处理，得到半致密化定向碳纳米管复合材料；

(5)利用对步骤(4)获得的半致密化定向碳纳米管复合材料进行进一步热等静压浸渍碳化、高温处理，得到致密的定向碳纳米管复合材料。

所述步骤(4)中的常压浸泡时间为1h。

所述步骤(3)超声分散时间为0.5-1h，高速搅拌时间为1h。

所述步骤(2)超声分散时间为0.5-1h，高速球磨时间为8-10h。烘干条件80-100℃,4-6小时。

所述步骤(1)中的定向碳纳米管薄膜按照轴向方向依次按照0℃、180℃依次叠加铺放。

所述步骤(4)中热压固化温度为280-300℃，保温2～4h。

所述步骤(4)中碳化温度为800-900℃、保温2～4h。