[发明专利]一种双向高导热碳/碳复合材料的制备方法

说明书

一种双向高导热碳/碳复合材料的制备方法，属于复合材料制备技术领域。该方法通过将超高模量、高导热碳纤维单向布或双向布、高导热石墨膜叠层、沥青粉末三者交替铺层反复热压‑碳化，化学气相沉积，反复高压浸渍高残碳沥青‑碳化，最后石墨化获得双向高导热碳/碳复合材料。该碳/碳复合材料在在X轴和Y轴方向均具有很高的热导率和抗弯强度，应用范围广泛。

技术领域

本发明涉及一种双向高导热碳/碳复合材料的制备方法，属于复合材料制备技术领域。

背景技术

随着科技日新月异的快速发展，高端设备上所使用的元器件的发热量越来越大，如何将热量高效导出成为了目前亟待解决的关键性问题。高导热碳/碳复合材料具有高比模、高比强、低密度、抗热震、抗烧蚀、高导热、低膨胀等一系列优异性能，无论是导弹鼻锥、飞机刹车片、火箭发动机喷管喉衬、航天飞机机翼前缘和鼻锥等航空航天军事装备，还是电脑、5G设备、移动通讯设备等民用电器装置元件，都具有广泛应用的潜力。

从目前国内外的研究现状来看，用于制备高导热碳/碳复合材料的碳纤维主要有沥青基碳纤维、气相生长碳纤维。碳基体主要是热解碳、沥青碳等。沥青基碳纤维制备高导热碳/碳复合材料的方法也各不相同，国内大都是先将1500℃左右碳化的、具有较好柔性的沥青基碳纤维编制成碳布，然后进行碳/碳板的制备工艺，最后一起在2800～3000℃高温下石墨化，这样碳纤维的高温石墨化收缩会导致产品质量不佳，如何将超高模量、高导热的石墨纤维通过热压、浸渍、气相沉积、碳化等工艺直接用于高导热碳/碳复合材料的制备是目前需要研究和解决的问题。另外，目前国内外基本都是制备双向高导热碳/碳复合材料，制备双向高导热碳/碳复合材料的消息鲜有报道。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种双向高导热碳/碳复合材料的制备方法，该方法所制备的碳/碳复合材料在两个方向(X、Y方向)上都具有极高的热导率，应用范围更加广泛，导热/散热效率更高。

本发明所提供的双向高导热碳/碳复合材料的制备方法，主要包括下述步骤：

步骤(1)，将超高模量、高导热碳纤维布、高导热石墨膜叠层、沥青粉末三者交替铺设成层状在相应大小的不锈钢模具中，然后放在热压机上并在一定的温度场、压力场下热压复合成型，保温保压一段时间后，自然降温，获得预制体；

步骤(2)，将不脱模具的预制体在700～1800℃的惰性气体环境下碳化0.1～8h，冷却之后取出，然后反复在不锈钢模具中铺撒沥青热压、碳化1～12次得到低密度碳/碳复合材料；经过步骤(1)和(2)最终低密度碳/碳复合材料中碳纤维布、石墨膜叠层通过沥青渗透粘合在一起形成完全的一体化；

步骤(3)，以烃类气体为碳源，通过化学气相沉积的方式在800～2100℃的条件下对低密度碳/碳复合材料进行沉积渗透热解碳来达到增密、增强的目的，沉积时间为10～700h，获得中等密度的碳/碳复合材料，在此过程烃类气体渗透沉积到低密度碳/碳复合材料的空隙中直至复合材料密度或者重量稳定不再变化；

步骤(4)，将中等密度的碳/碳复合材料通过1～15次反复的高压浸渍熔融高残碳沥青、碳化来获得高密度的碳/碳复合材料，在此过程熔融高残碳沥青填充到中等密度的碳/碳复合材料的空隙中直至复合材料密度或者重量稳定不再变化；

步骤(5)，将高密度的碳/碳复合材料在2400～3000℃的惰性气体条件下高温石墨化0.1～30h，自然冷却后获得双向高导热碳/碳复合材料。

上述方法步骤(1)中所述超高模量、高导热碳纤维布为单向布或双向布，是由单根拉伸模量≥500GPa，导热系数≥400W/(m·K)的碳纤维编制而成的；若使用超高模量、高导热碳纤维单向布，则单向布的超高模量、高导热碳纤维轴向在复合材料中的X轴以及Y轴方向均双向分布，具体铺层方式根据实际需要进行调整；若使用超高模量、高导热碳纤维双向布，既可同一方向铺层，也可垂直方向铺层；超高模量、高导热碳纤维单向布或双向布以及石墨膜叠层的层数为1层或多层，根据实际需求自由调整。