[发明专利]一种具有叠层混杂结构的高导热碳纤维复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及结构/功能复合材料领域，具体为一种具有叠层混杂结构的高导热碳纤维复合材料及其制备方法。以碳纤维布层为主体向其表面喷涂石墨烯溶液与含铜溶液，水平方向上构建平行于碳纤维布层的片状填料导热网络，垂直方向上在碳纤维布层表面构建微纳尺度的片夹球叠层结构，之后对碳纤维布层进行铺层并将聚合物基体材料注入其中，最终获得具有叠层混杂结构的高导热碳纤维复合材料。本发明叠层混杂结构的引入可以显著提升复合材料的面内/外热导率，该复合材料兼具高导热及高力学性能。此外，片夹球的叠层混杂结构更有利于树脂的浸润，可有效提升复合材料的力学性能。

技术领域

本发明涉及结构/功能复合材料领域，具体为一种具有叠层混杂结构的高导热碳纤维复合材料及其制备方法。

背景技术

连续碳纤维增强聚合物基复合材料具有轻质高强、热膨胀系数低、制备工艺简单等诸多优点，通常作为结构材料被广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域。随着近年来航空航天、汽车、电子等领域的快速发展，其内部器件逐渐高度集成化与高功率化，不可避免的产生越来越多的热量，严重的影响了产品使用寿命。作为结构材料的传统碳纤维增强聚合物基复合材料在导热散热方面由于自身性能所限难以满足使用需求。此外，由于碳纤维铺层复合材料其本身导热性能的差异，使得碳纤维复合材料的面外导热性能远低于面内导热性能，极大限制了碳纤维复合材料的应用。因此，如何提升碳纤维叠层复合材料的面内外热导率的成为了目前亟待解决的科学问题。

目前，为了提升碳纤维增强聚合物基复合材料的面内外热导率，主要有两种方法：

一种方法是通过提升聚合物基体的热导率进而提升整体复合材料的热导率，大多采用在聚合物基体内添加导热填料的方法来提高碳纤维复合材料的导热能力，常用填料主要为金属、陶瓷或无机填料，如：纳米铜粉、纳米银粉、氧化铝、氮化硼、碳纳米管、石墨烯等材料。但是，这种方法存在很大不足，由于填充物以粉体为主，填料易被树脂包覆导致其散热能力无法体现，而当填料含量过多时，很难以实现聚合物对碳纤维的浸润，从而产生大量的界面热阻，使得碳纤维复合材料整体导热性能的提升并不显著。

另一种方法是通过在碳纤维表面沉积涂层的方法提升碳纤维的导热性能进而增加复合材料整体的导热性能，主要采用电化学沉积法在碳纤维表面沉积铜等高导热材料，或通过喷涂的方法在碳纤维表面喷涂石墨烯、碳纳米管、纳米铜或以上两者混合物涂层。这种方法目前主要存在的问题是，当涂层厚度较低时，对复合材料导热性能的改善极为有限；而当涂层较厚时，由于树脂难以浸润到涂层内部，会使得碳纤维复合材料的层间剪切强度迅速下降，且由于涂层层间较大的空间热阻使复合材料的导热性能提升仍然极为有限。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有叠层混杂结构的高导热碳纤维复合材料及其制备方法，获得一种兼具高面内外导热及高力学性能的碳纤维聚合物基复合材料。

为了实现上述技术目标，本发明所提出的技术方案是：

一种具有叠层混杂结构的高导热碳纤维复合材料，高导热碳纤维复合材料为碳纤维布层、片状填料导热网络、片夹球叠层结构组合并铺层后，由聚合物基体材料充分浸润成型获得具有叠层混杂结构；水平方向上构建平行于碳纤维布层的片状填料导热网络，垂直方向上在碳纤维布层表面构建微纳尺度的片夹球叠层结构。

所述的具有叠层混杂结构的高导热碳纤维复合材料，碳纤维布层为碳纤维织物或者碳纤维预浸料，碳纤维织物为正交布、单向布、斜纹布的一种或两种以上组合，碳纤维织物或碳纤维预浸料厚度为0.2～1mm，碳纤维直径为1～10μm，碳纤维丝束的单丝数量为1K～48K，密度为1.5g/cm³～2.0g/cm³。

所述的具有叠层混杂结构的高导热碳纤维复合材料，碳纤维布层的铺层层数为1～50层。

所述的具有叠层混杂结构的高导热碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：