[发明专利]一种石墨烯纸增强碳/碳复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨烯纸增强碳/碳复合材料及其制备方法，属于复合材料制造技术领域。采用石墨烯纸进一步增强高导热碳/碳复合材料的面内导热性能，可在较低密度下获得较高的热导率；通过对石墨烯纸和高导热碳纤维布表面处理，可提高材料的层间结合强度，降低材料的石墨化处理温度，从而有效改善材料的力学性能，尤其是抗弯性能。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯纸增强碳/碳复合材料及其制备方法，属于复合材料制造技术领域。

背景技术

散热材料是空间飞行器热控系统所采用的一种重要材料，是保证仪器及舱内温度有效调控的关键材料，其原理是利用散热结构自身的高热导率和高发射率(ε)实现对被控物体的温度调控。随着现代军事行动对空间遥感、通信和导航信息依赖程度的提高，我国各类通信、导航、高轨预警等卫星向着大容量、长寿命、高可靠、高精度的方向不断发展，对散热材料尤其仪器舱内散热材料的性能要求越来越苛刻。首先，散热材料应具备优异的导热性能；第二，为提高飞行器有效载荷，散热材料需尽可能轻质化；第三，由于许多电子部件需要在40～60℃的环境温度下正常工作，因而散热材料只能对外散热，而不能在仪器舱内散热，即热量只能沿面板展向传出到舱外冷端，而不能通过面板向舱内散热，这就要求散热面板的导热性能具有高度的各向异性特征，面内具有高导热率而垂直平面方向热导率要尽可能低；第四，散热材料需承载电子设备并满足飞行器的过载要求，因而需要具备较好的力学性能，尤其是抗弯和抗压性能；第五、空间飞行器需在外太空中耐受高达±200℃的昼夜温差，要求散热材料具有优异的尺寸稳定性，即具备低膨胀系数和高模量特征。

基于上述性能要求，传统的金属(铝、铜)散热材料由于其本身密度较大、热膨胀系数较高、微量杂质导致热导率大幅下降等缺陷，已很难满足空间飞行器的应用需求。新型散热材料，如高导热碳纤维增强树脂基复合材料尽管具备轻质、较好的导热各向异性特征和力学性能，但其整体散热能力及尺寸稳定性仍然偏低；高导热石墨膜、石墨烯纸等导热性能十分优异，但力学性能较差，均难以满足空间飞行器对散热材料的性能要求。高导热碳纤维增强碳/碳复合材料以其优异的低密度、高导热性、低膨胀系数和高温高强高模等性能成为目前最佳的空间飞行器散热候选材料，但其部分性能仍需进一步优化。首先，为保证导热和力学性能，高导热碳/碳复合材料的密度通常需达到2.05g/cm³以上，不利于飞行器减重；其次，为保证导热性能，高导热碳/碳复合材料通常需要3000℃以上超高温石墨化处理，高度石墨化会降低材料的层间结合强度，严重损伤纤维及材料的力学性能，尤其是弯曲强度；再次，高导热碳/碳复合材料垂直面内方向的热导率通常可达到50W/mK以上，导热各向异性率偏高，不利于仪器舱的散热。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种石墨烯纸增强碳/碳复合材料及其制备方法，该方法能够制备出具有轻质、高导热率和导热各向异性率、高强度高模量、低膨胀系数等优异性能的散热材料，满足新一代空间飞行器的使用要求。

本发明的技术解决方案是：

一种石墨烯纸增强碳/碳复合材料，该复合材料包括增强体和基体；

所述的增强体包括石墨烯纸和中间相沥青基碳纤维布；

所述的基体为沥青碳。

一种石墨烯纸增强碳/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将石墨烯纸和中间相沥青基碳纤维布放入强氧化性溶液中超声处理，处理完毕用去离子水清洗干净后浸入硼酸水溶液(温度为50-60℃)中浸泡处理，再次用去离子水清洗后烘干、备用；

步骤2，将中间相沥青基碳纤维布、石墨烯纸及中间相沥青进行交替铺层，利用超高温热压工艺一次性制备出石墨烯纸增强碳/碳复合材料。

所述的步骤1中，石墨烯纸的室温面内热导率≥1000W/mK，垂直面内方向热导率≤10W/mK，中间相沥青基碳纤维的室温热导率≥600W/mK。