[发明专利]一种高导热碳素纤维复合材料及其制备方法

权利要求书

1.一种高导热碳素纤维复合材料，其特征在于，复合材料包括由以氧化石墨烯为桥联剂构筑的取向互联碳素纤维自支撑三维网络和聚合物基体，碳素纤维作为热输运三维网络的主要构筑单元；

所述的高导热碳素纤维复合材料的制备方法，包括以下制备步骤：

(1) 将碳素纤维均匀分散于氧化石墨烯水溶液中；

步骤(1)中，碳素纤维通过包括磁力搅拌、超声波水浴或球磨工艺的组合使用在氧化石墨烯水溶液中均匀分散，碳素纤维/氧化石墨烯混杂溶液浓度为40~380mg/mL，其中氧化石墨烯与碳素纤维的质量比为：(0.005~0.06):1；

 (2) 以氧化石墨烯作为桥联剂，利用氧化石墨烯的自组装特性，通过冰模板法或水热还原组装结合真空干燥工艺，制备得到碳素纤维与氧化石墨烯互联且定向排列的自支撑三维碳素纤维骨架；

(3) 与聚合物基体进行复合，固化制备得到相应的具有高导热特性的聚合物复合材料，导热系数为4.3~17.6W/m·K。

2.根据权利要求1所述的高导热碳素纤维复合材料，其特征在于，所述碳素纤维选自石墨烯纤维、碳纳米管纤维、碳纤维或石墨纤维中的一种或两种以上组合，碳素纤维通过化学气相沉积或静电纺丝法制得；碳素纤维直径为2~20μm，长度为60μm~2mm。

3.根据权利要求2所述的高导热碳素纤维复合材料，其特征在于，所述碳素纤维的长度为150~500μm。

4.根据权利要求1所述的高导热碳素纤维复合材料，其特征在于，取向互联碳素纤维自支撑三维网络以氧化石墨烯为桥联剂，其表面官能团丰富，具有自组装特性，且与碳素纤维具有相似的晶格结构，在起到支撑网络结构的作用的同时，有效降低三维网络内部界面热阻；氧化石墨烯为Hummers法剥离氧化石墨烯、电化学法剥离氧化石墨烯中的至少一种，层数为1~10层，片径尺寸为0.5~5μm。

5.根据权利要求4所述的高导热碳素纤维复合材料，其特征在于，所述氧化石墨烯的片径尺寸为150~500μm。

6.根据权利要求1所述的高导热碳素纤维复合材料，其特征在于，一维碳素纤维通过二维氧化石墨烯片在彼此之间形成有效连接，经取向制备工艺形成以碳素纤维为主体，氧化石墨烯弥散桥接支撑的协同定向互联三维网络结构；无表面活性剂或发泡剂的使用，网络骨架无聚合物粘结剂的包裹，碳素纤维骨架网络密度为50~400mg/cm³。

7.根据权利要求1所述的高导热碳素纤维复合材料，其特征在于，步骤(2)中，冰模板法采用液氮浴、液氮乙醇浴、干冰乙醇浴中的一种定向冷冻方法，冷冻温度为零下50℃~零下196℃，冷冻时间为3~60min；水热还原组装温度为90℃~200℃，还原时间为2~12h。

8.根据权利要求1所述的高导热碳素纤维复合材料，其特征在于，步骤(2)中，真空干燥工艺真空度小于20Pa，冷冻干燥时间为24~72h，冷冻温度低于零下55℃。

9.根据权利要求1所述的高导热碳素纤维复合材料，其特征在于，步骤(3)中，聚合物基体为液体聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、酚醛树脂、聚碳酸酯中的一种。

10.根据权利要求1所述的高导热碳素纤维复合材料，其特征在于，步骤(3)中，将碳素纤维骨架完全浸没在液体聚合物基体中，转移至真空环境下脱除气泡2~8h，加热固化后制得聚合物导热复合材料；固化温度为60~130℃，固化时间为8~24h；碳素纤维骨架在聚合物基体的浸渍、固化后，其三维取向互联网络结构在聚合物中保留；一维碳素纤维沿冷冻方向取向排布，且彼此之间通过氧化石墨烯相互连接，在聚合物基体中共同构成定向协同高效热输运通道。