[发明专利]一种高导热石墨烯/短切碳纤维复合材料的制备方法

说明书

本发明公开一种高导热石墨烯/短切碳纤维复合材料的制备方法，利用石墨烯沿面内方向高导热性和碳纤维的沿轴向高导热性，将石墨烯层与短切碳纤维在液相中沉积成型，利用聚酰亚胺的粘结作用连接碳纤维与石墨烯，最后通过碳化和石墨化处理，将聚酰亚胺转化为石墨烯，制备出全碳的高导热复合材料。传统的石墨烯材料，由于石墨烯的二维结构使其沿水平面具有超高的导热性能，而沿厚度方向由于缺少导热通道，导热性能较差。本发明利用短切碳纤维的轴向高导热，在石墨烯层间搭建高效导热通道，有效提高了材料的厚度方向的高热性能，克服了其厚度方向导热差的缺点，制备出了高性能的导热材料。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，更加具体地说，涉及一种高导热性能的石墨烯/短切碳纤维复合材料的制备方法，具体地说是一种沿厚度方向和水平方向同时具有高导热性能的碳基复合材料的制备方法。

背景技术

随着计算机、通讯及航空航天等领域科学技术的快速发展，电子产品的功率不断增大，尺寸越来越小，使得热管理越来越困难，因此对材料的导热、散热性能提出更大的要求。例如微电子芯片表面温度必须维持在较低的温度下(如硅器件﹤100℃)才能确保其高性能工作，如果没有充分的热管理保障，极易导致其提前老化或损坏。因此，开发能够对热量进行有效疏导的高导热散射材料成为热管理的关键问题。传统的金属导热材料(如铝、铜等)由于存在密度较大、热膨胀系数较高、易氧化、不耐化学腐蚀等局限性，已很难满足目前日益增长的散热需求。

碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一，它具有多样的电子轨道特性(sp、sp²、sp³杂化)，再加之sp²的异向性而导致晶体的各向异性和其排列的各向异性，因此以碳元素为唯一构成元素的碳材料具有各式各样的性质。碳材料具有高导热、低密度、低热膨胀、优异的力学性能及化学稳定性，是近年来最具发展前景的一类导热材料，因而在能源、通讯、电子等领域具有广阔的应用前景。其中碳纤维和石墨烯是两种具有高导热、高力学强度的碳材料，被广泛应用于各种产品。石墨烯的理论导热系数高达3080～5300W/mK，但作为二维材料，只有沿水平面内才具有高导热，垂直于石墨烯层方向的导热由于缺少有效地的导热通道，使得石墨烯基材料沿厚度方向的导热系数都很低，一般不超过10W/mK，严重限制了其在热管理中的应用。而碳纤维作为一种由沿轴向高度取向石墨组成的新型碳材料，除了具有高强度外，其沿轴向也具有超高的导热性能，其沿纤维轴向的导热系数高达700W/mK。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对现有的石墨烯材料具有显著的的各向异性导热性，即只在沿石墨烯面内具有高导热系数(大于1000W/mK)而在垂直于其水平面的厚度方向，导热系数过低(小于10W/mK)的不足，提供一种沿水平方向和厚度方向同时具有高导热系数的石墨烯/基碳复合材料制备方法。制备的复合材料沿平面的导热系数高达800W/mK以上，沿厚度方向的导热达到56W/mK。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

一种高导热石墨烯/短切碳纤维复合材料的制备方法，按照下述步骤进行：

步骤1，将石墨烯和碳纤维均匀分散在聚酰胺酸的N,N-二甲基乙酰胺溶液中，通过真空抽滤或自由沉降，使得石墨烯及碳纤维自由堆叠形成复合膜材料，通过乙醇浸渍置换出溶剂N,N-二甲基乙酰胺，通过超临界干燥得到石墨烯/碳纤维/聚酰胺酸复合材料；

在步骤1中，石墨烯为石墨烯片，优选氧化石墨烯，或者还原氧化石墨烯，形貌具有片层结构，即氧化石墨烯片，或者还原氧化石墨烯片。

在步骤1中，碳纤维为短切的碳纤维，直径为5—7um，长度为2～5um。

在步骤1中，石墨烯和碳纤维为等质量比。

在步骤1中，在聚酰胺酸的N,N-二甲基乙酰胺溶液中，聚酰胺酸的质量百分数为1～5wt％。

在步骤1中，通过超声均匀分散石墨烯和碳纤维。