[发明专利]石墨微片径向排列的石墨纤维及其制备方法

说明书

本发明提供石墨微片沿径向排列的石墨纤维的制备方法，包括以下步骤：(1)将层状结构基体置于高温炉中；(2)将固态含碳前驱体置于高温炉中，或将液态含碳前驱体置于蒸发区，或准备好气态含碳前驱体；(3)关闭高温炉，抽真空后，通入惰性气体进行气氛保护；(4)将高温炉升温至生长温度，进行诱导生长；(5)降温后，取出石墨微片径向排列的石墨纤维。本发明采用层状结构材料直接在高温下诱导生长出高度石墨化的石墨纤维；石墨纤维的微片沿着径向排列；含碳前驱体均可通过该方法生长出石墨微片径向排列的石墨纤维；该石墨烯纤维在定向增强导电、导热复合材料时，能够提高产品性能，减少工艺步骤，降低生产成本，提高连续化生产程度。

技术领域

本发明属于导热散热技术领域，具体涉及石墨微片径向排列的石墨纤维及其制备方法。

背景技术

石墨纤维，是一种分子结构石墨化、含碳量高于99％的具有层状六方晶格石墨结构的纤维，其制备方法是将有机前驱体(沥青、聚丙烯腈、黏胶)纤维制成碳纤维后，在2000～3300℃石墨化而得。目前的石墨纤维，石墨微片的排列方式，大都是沿着轴向进行排列(见图1-3)，因此其导电、导热等性能在轴向上往往显著高于纵向，甚至达到两到三个数量级的优势。

在石墨纤维增强的体系内，为了实现某一方向导热、导电等性能的最大化，需要将石墨纤维进行定向排列。对于纤维状的一维结构材料，在横向(平面方向)定向容易实现，但在纵向上的排列则较难实现。对此，往往是将纤维在横向上进行排列，并堆叠至所需厚度(或高度)，模压成型后，再沿着纤维排列的垂直方向进行切割，从而将纤维的横向排列转变为纵向排列。其工艺步骤较为复杂，且在堆叠时存在较大的缝隙，易造成压制后的材料存在空洞；同时由于缝隙处的融合，以及压制时的溢流等原因，容易造成物料中纤维取向的改变。此外，由于堆叠后需要进行模压成型，并于挤出的垂直方向上进行裁切成片，该方法规模化、连续化程度较低，不仅难以制备大片产品，而且产品厚度、表面粗糙度等均难以控制。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了石墨微片径向排列的石墨纤维及其制备方法。本发明通过高温生长法，直接得到石墨微片沿着径向排列的石墨纤维(见图4-6)。该纤维导电、导热性能呈现着与常规石墨纤维明显的差异，即该纤维径向的导电、导热等性能显著优于其轴线的性能，其优势可提升至1～3个数量级。该纤维用于增强复合材料时，仅需实现纤维的横向排列，即可实现复合材料纵向性能的显著提升。

为了实现本发明的目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供石墨微片沿径向排列的石墨纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将层状结构基体置于高温炉中；

(2)将固态含碳前驱体置于高温炉中，或将液态含碳前驱体置于蒸发区，或准备好气态含碳前驱体；

(3)关闭高温炉，抽真空后，通入惰性气体进行气氛保护；

(4)将高温炉升温至生长温度，进行诱导生长；

(5)降温后，取出石墨微片径向排列的石墨纤维。

作为优选，步骤(1)和(2)中的层状结构基体与固态含碳前驱体，分开放置，或放置在一起；和/或

步骤(1)和(2)的顺序互换。

作为优选，步骤(1)所述层状结构基体，是六方氮化硼、石墨、石墨烯、鳞片石墨、膨胀石墨中的至少一种。

作为优选，步骤(2)中所述固态含碳前驱体，是茂金属化合物、沥青、聚丙烯氰、塑料、针状焦、黏胶、煅前焦、树脂、硬脂酸及其衍生物、橡胶、硅胶、煤、木材、秸秆、竹子、蛋白质、糖类、氨基酸、维生素、动植物遗骸中的至少一种；优选是沥青、聚丙烯氰、针状焦、黏胶、煅前胶、树脂中的至少一种；