[发明专利]三维高导热聚合物基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了三维高导热聚合物基复合材料及其制备方法。本申请的第一方面，提供聚合物基复合材料，该聚合物基复合材料包括复合纤维形成的三维编织体，复合纤维包括一维碳材料和聚合物基体，聚合物基体在一维碳材料的长度方向上取向，复合纤维在形成三维编织体前经导热浆料挂浆处理。根据本申请实施例的聚合物基复合材料，至少具有如下有益效果：将聚合物基体的有机分子链与一维碳材料协同取向，使得复合纤维表现出单一维度上的超高热传导性能，同时将复合纤维用导热浆料做挂浆处理，协同作用提升复合纤维的热导率。在此基础上，将其进行三维编织得到三维编织体，使得复合材料的整体在三维方向上都表现出明显的高导热性能。

技术领域

本申请涉及热界面材料技术领域，尤其是涉及三维高导热聚合物基复合材料及其制备方法。

背景技术

现代高功率器件的热流密度呈现几何级数的增长，热管理成为微电子、通讯、新能源汽车等领域和设备的共性关键技术，其中高效的热界面材料是主要技术瓶颈之一。有研究表明器件的可靠性和使用寿命主要取决于工作温度，温度的微小提高就会导致器件性能和寿命的快速下降，因此保证器件的热量能够快速转移出去成为保证器件稳定工作的关键。常见的热界面材料有聚合物类、金属类和碳基类等，其中聚合物类作为热界面材料是应用最广泛、性价比最高的方案，技术上的竞争也越来越聚焦于此。

然而，纯聚合物的热导率一般都很低，需要添加具有高导热性能的填料来提高其热导率。其中，碳材料作为填料对提高聚合物材料的导热性能有着十分显著的效果。石墨、碳纤维、石墨烯等碳材料自身热导率很高，石墨片面内热导率在140～500W/(m·K)，气相生长碳纤维的室温热导率高达1260W/(m·K)，而单层石墨烯的理论热导率可达5300W/(m·K)。具有超高热传导性能的碳材料引起了国内外人员对碳聚合物基导热复合材料的广泛关注与研究，但均混得到的碳聚合物基热界面材料热导率都很低。另外，碳材料的导热能力具有各向异性，在大功率或空间有限等情况下，XY方向的导热能力较弱使得复合材料的整体导热性能受到影响。因此，有必要提供一种在三维方向上都具有较高热导率的聚合物基复合材料。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种在三维方向上都具有较高热导率的三维高导热聚合物基复合材料及其制备方法。

本申请的第一方面，提供聚合物基复合材料，该聚合物基复合材料包括复合纤维形成的三维编织体，复合纤维包括一维碳材料和聚合物基体，聚合物基体在一维碳材料的长度方向上取向，复合纤维在形成三维编织体前经导热浆料挂浆处理。

根据本申请实施例的聚合物基复合材料，至少具有如下有益效果：

将聚合物基体的有机分子链与一维碳材料协同取向，使得复合纤维表现出单一维度上的超高热传导性能，同时将复合纤维用导热浆料做挂浆处理，协同作用提升复合纤维的热导率。在此基础上，将挂浆后的复合纤维进行三维编织得到三维编织体，使得复合材料的整体在三维方向上都表现出明显的高导热性能。

其中，挂浆处理是指采用包括但不限于刷涂、浸泡等方式使得复合纤维的表面包裹上导热浆料。导热浆料是指任选包含导热材料的浆料，导热材料的非限制性实例包括一维导热材料(如碳纳米管、碳纤维等)、二维导热材料(如石墨烯、六方氮化硼、膨胀石墨等)、三维导热材料(如银粉、铜粉、氧化锌粉等金属粉末)。导热浆料可以是将上述导热材料分散在溶剂后形成的浆料，所选溶剂的非限制性实例包括水。

在本申请的一些实施方式中，导热浆料包括二维导热材料。采用二维导热材料对复合纤维进行挂浆处理可以使导热材料与复合纤维有更大的结合面积，从而形成更多的散热通道以进一步提升复合纤维的导热性能。

在本申请的一些实施方式中，导热浆料包括石墨烯。在利用石墨烯进行挂浆时，不仅可以发挥二维材料结合面积大的特点，还能够直接利用其热导率的优势从而更大程度改善复合纤维的导热性能。