[发明专利]碳纤维/碳纳米管阵列双取向导热碳-碳复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种碳纤维/碳纳米管阵列双取向导热碳‑碳复合材料的制备方法；将短切碳纤维加入到纯正硅酸乙酯溶剂中，抽滤干燥，得到表面含有氧化硅涂层的碳纤维；然后置于真空管式炉升温,得到氧化硅/碳纤维原料；催化剂前驱液匀速推入进行碳纳米管纤维束的生长，得到碳纤维/碳纳米管阵列复合粉末；将碳纳米管阵列/碳纤维复合粉末加入到冷压模具中，以200～300MPa的压力载荷常温冷压，将获得的单向取向的碳纳米管阵列/碳纤维管块体翻转180°，然后重新加入到冷压模具中，相同压力载荷常温冷压，得到碳纤维/碳纳米管阵列双取向导热碳‑碳复合材料。热导率沿材料轴向大于300W/(m·K)，沿径向大于70W/(m·K)。

技术领域

本发明涉及碳纤维/碳纳米管阵列双取向刚性导热碳-碳复合材料的制备方法，具体地说是一种在碳纤维上垂直生长碳纳米管阵列并利用冷压取向高导热碳纤维/碳纳米管阵列的制备方法。

背景技术

热导率的提高和散热在近几十年成为了热管理材料领域的关键性问题。产热器件结构工作的过程中，因器件本身的电阻、热阻、电子涡流等效应或外部环境影响，产生积累了大量热量，特别是在器件元件密度极高、散热空间狭窄的部位，热流密度会特别大，从而导致整体设备温度分布极端不平衡，这对导热材料提出了越来越高的要求，而器件产热能否及时排出、器件散热是否均匀高效极大地影响了电子设备的质量、性能和寿命。为了及时将这些热量导出，我们急切需要开发质量更轻、热导率更高、性能更加优异的导热新型材料。

碳纤维是由沥青基或丙烯腈基有机纤维经过预氧化和高温石墨化得到的一种纤维状一维纳米材料。碳纤维由于具有规整有序的石墨原子层，声子传导的阻碍较少，面内缺陷较少，导热效率很高，因而利用碳纤维制备碳基高导热材料成为了人们研究的重点，也出现了类似专利的授权或公开。中华人民共和国国家知识产权局授权号为CN105274698A、CN105972685A、CN106304444A等发明专利公布了利用碳纤维制备导热复合材料的技术。

以上所述的发明专利仅仅说明了传统的碳纤维制备方法和复合工艺，只获得了具有导热各向异性的石墨导热材料。而对于碳纤维的石墨片层，碳原子的晶格震动是材料导热的基础，因此碳纤维材料中声子传递只能沿着石墨晶面即碳纤维轴向进行高速传导，而对于石墨晶面层间，过远的距离严重地影响了声子的传导。在经过有机原料成纤工艺处理后，石墨烯晶面在外力作用下沿纤维轴向取向，因而在碳纤维中只有在沿纤维轴向上具有高热导率(大于900W/(m·K))，而沿纤维径向热导率很低，不到15W/(m·K)。中国的专利申请CN105274698A、CN105972685A等公布的碳纤维导热材料沿轴向的热导率都在10W/(m·K)以下。因此，现有已公开的发明专利所获得材料的导热系数较高的各向异性远不能满足大型计算机、高集成电子器件等对导热材料导热能力的要求，在碳材料已有优势基础上开发一种同时具有沿轴向和径向方向的高导热、低各向异性的材料显得尤为重要。

发明内容

本发明针对现有碳纤维或碳纳米管制备的导热片沿厚度方向热导率过低的不足，提供一种沿材料轴向和径向均具有较高导热性能，即低导热各向异性的碳-碳复合材料及其制备方法。沿材料轴向和径向热导率分别达到300W/(m·K)和70W/(m·K)的碳-碳复合材料，此导热率相比别的碳材料具有明显的优势。如图1所示。

本发明采用以下技术方案：

一种碳纤维/碳纳米管阵列双取向导热碳-碳复合材料的制备方法，其步骤如下：

1)将长度为1～3mm的短切碳纤维加入到纯正硅酸乙酯溶剂中，体积比是1:3常温搅拌，抽滤后将滤饼置入鼓风干燥箱中干燥，制备得到表面含有氧化硅涂层的碳纤维；

2)将得到的氧化硅涂层/碳纤维置于真空管式炉，抽至真空后通入氩气作为保护气，由程序控制升温,以10～15℃/min匀速升温至1100～1400℃并保温0.5～2小时，待降温至室温后得到氧化硅/碳纤维原料；