沿平面和厚度方向同時(shí)具有高導(dǎo)熱系數(shù)碳基復(fù)合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種沿平面和厚度方向同時(shí)具有高導(dǎo)熱系數(shù)碳基復(fù)合材料的制備方法；將膨脹率大于100的膨脹石墨、長(zhǎng)徑比小于1.5的碳纖維小柱和粒徑小于150目的中間相瀝青放在溶劑中攪拌分散0.5～4小時(shí)，于60～150℃條件下烘干，粉碎；將混合物料在小于50MPa壓力下預(yù)壓成型，然后將其置于馬弗爐中升溫至250～330℃并保溫1～4小時(shí)，隨后將預(yù)氧化的胚體置于石墨模具中，將其一并置于真空熱壓爐中進(jìn)行高溫?zé)釅?，熱壓溫度?300℃以上，熱壓壓力為5～50MPa，保溫保壓1～4小時(shí)。得到導(dǎo)熱率沿平面方向大于140W/(m·K)，沿厚度方向大于19W/(m·K)的高導(dǎo)熱石墨導(dǎo)熱片。
【專利說明】沿平面和厚度方向同時(shí)具有高導(dǎo)熱系數(shù)碳基復(fù)合材料的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種沿平面和厚度方向同時(shí)具有高導(dǎo)熱系數(shù)碳基復(fù)合材料的制備方法，具體地說是一種膨脹石墨和短切碳纖維導(dǎo)熱石墨片的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，高效的導(dǎo)熱和散熱成為熱管理領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。例如隨著大型計(jì)算機(jī)、筆記本電腦以及許多其他電器裝置性能的提升和電子元件集成度的提高，其單位面積電子器件不斷提高的發(fā)熱量使系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量驟增，如果沒有充分的熱管理保障，極易導(dǎo)致相關(guān)器件提前老化或是損壞。微電子芯片表面溫度必須維持在較低的溫度下(如硅器件? 1001 )才能確保其高性能工作，許多電子部件需要在40?601的溫度下才能正常工作，這對(duì)導(dǎo)熱材料提出了越來(lái)越高的要求。傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)熱材料(如鋁、銅等)由于存在密度較大、比熱導(dǎo)率(熱導(dǎo)率與材料體積密度之比)較低、熱膨脹系數(shù)較高、易氧化等局限性，已很難滿足目前日益增長(zhǎng)的散熱需求。碳材料具有較低的密度、低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)異的機(jī)械性能和較高的熱導(dǎo)率，是近年來(lái)最具發(fā)展前景的一類導(dǎo)熱材料，因而在能源、通訊、電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]膨脹石墨是由天然鱗片石墨經(jīng)過石墨插層、水洗、干燥、高溫膨脹得到的一種疏松多孔的蠕蟲狀物質(zhì)。膨脹石墨由于具有規(guī)整大塊的石墨化壁層，聲子傳導(dǎo)的阻礙較少，導(dǎo)熱效率很高，因而利用膨脹石墨制備碳基高導(dǎo)熱材料成為人們的研究重點(diǎn)，也出現(xiàn)類似專利的授權(quán)或公開。中華人民共和國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授權(quán)號(hào)為⑶1014073228、⑶1003683420、⑶101458049八等發(fā)明專利公布了利用壓縮膨脹石墨制備導(dǎo)熱板的技術(shù)。
[0004]以上所述的發(fā)明專利僅僅披露了傳統(tǒng)的膨脹石墨制備方法和壓制工藝，只獲得了導(dǎo)熱各向異性的石墨導(dǎo)熱材料。對(duì)于石墨片層，碳原子的晶格震動(dòng)是材料導(dǎo)熱的基礎(chǔ)，因此石墨材料中聲子傳遞只能沿著石墨晶面進(jìn)行高速傳導(dǎo)，而對(duì)于石墨晶面層間由于距離過遠(yuǎn)，嚴(yán)重影響聲子的傳導(dǎo)。在經(jīng)過石墨壓制工藝處理后，石墨晶面在熱壓作用下沿平面方向取向，因而在石墨導(dǎo)熱片中只有在沿平面方向上具有高導(dǎo)熱率(大于1001/(爪-10)，而沿厚度方向?qū)崧屎艿?，不?1，21-了皿
1111, 680-1611 21180，了1111—311811 評(píng)811邑，8(3—11111 只11811邑，10界 0081:0？ 111^11
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狀叩卜1 七6 ？叩61~，011^011，2012，50(10):3947 — 3948.)。中國(guó)的專利申請(qǐng)⑶ 100368342(3、⑶103539111八等公布的石墨導(dǎo)熱板的沿厚度方向?qū)崧识荚?01/(1114)以下。因此，現(xiàn)有已公開的發(fā)明專利所獲得的沿厚度方向?qū)嵯禂?shù)遠(yuǎn)不能滿足大型計(jì)算機(jī)、高集成電子器件等對(duì)導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱能力的要求，在碳材料已有優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上開發(fā)一種同時(shí)具有沿厚度和平面方向的高導(dǎo)熱材料顯得尤為重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有膨脹石墨制備的石墨導(dǎo)熱片沿厚度方向?qū)崧蔬^低的缺陷，提供一種沿平面和厚度方向同時(shí)具有高導(dǎo)熱性能的石墨導(dǎo)熱片及其制備方法。沿平面和厚度方向?qū)崧史謩e達(dá)到1401/(0.1()和191/(0.1()的石墨導(dǎo)熱片，如圖1所示。
[0006]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種沿平面和厚度方向同時(shí)具有高導(dǎo)熱系數(shù)碳基復(fù)合材料的制備方法，步驟如下:
[0008]1)將膨脹率大于100的膨脹石墨、長(zhǎng)徑比小于1.5的碳纖維小柱和粒徑小于150目的中間相浙青放在溶劑中攪拌分散，以100?600170111的轉(zhuǎn)速常溫?cái)嚢?.5?4小時(shí)，于60?1501條件下烘干，粉碎；
[0009]2)將以上混合物料在小于50腿^壓力下預(yù)壓成型，然后將其置于馬弗爐中升溫至250?3301并保溫1?4小時(shí)，隨后將預(yù)氧化的胚體置于石墨模具中，將其一并置于真空熱壓爐中進(jìn)行高溫?zé)釅?，熱壓溫度?3001以上，熱壓壓力為5?50腿^，保溫保壓1?4小時(shí)。
[0010]所述的溶劑為甲苯、氯仿、石油醚、四氯化碳、喹啉或吡啶。
[0011]所述膨脹石墨、短切碳纖維和中間相浙青的質(zhì)量百分含量為:
[0012]膨脹石墨:45%?80%，
[0013]短切碳纖維:10?45% ；
[0014]中間相浙青:8?35%。
[0015]具體說明如下:
[0016](1)膨脹石墨的制備:將可膨脹石墨在1000?12001下進(jìn)行膨脹，獲得膨脹率大于100的膨脹石墨，如圖2所示，為一種疏松多孔的結(jié)構(gòu)，膨脹率是指可膨脹石墨膨脹后與膨脹前體積比；也可以直接采用市售產(chǎn)品。
[0017](2)碳纖維的短切:將碳纖維短切至長(zhǎng)徑比(纖維長(zhǎng)度與直徑之比)小于1.5的小圓柱；
[0018]由于碳纖維沿軸向具有高導(dǎo)熱系數(shù)，而徑向?qū)嵯禂?shù)很低，將其短切到較小長(zhǎng)度后，在隨后的熱壓過程中將會(huì)趨向于垂直豎立在石墨層間，利用其沿軸向的高導(dǎo)熱性能實(shí)現(xiàn)石墨層間熱流的傳遞，這非常有利于復(fù)合材料沿厚度方向的導(dǎo)熱；
[0019]通過以上步驟的膨脹石墨和短切碳纖維的復(fù)合及熱壓成型，實(shí)現(xiàn)了在平面方向具有高導(dǎo)熱性能的膨脹石墨與沿軸向具有高導(dǎo)熱性能的碳纖維的復(fù)合，在浙青粘結(jié)劑作用下經(jīng)過高溫?zé)釅菏沟脧?fù)合材料致密化，得到導(dǎo)熱率沿平面方向大于1401/0:1 ? 10，沿厚度方向大于191/ (111 # 1()的聞導(dǎo)熱石墨導(dǎo)熱片。
[0020]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的基體原料膨脹石墨易得，碳纖維的裁剪簡(jiǎn)單可控。本發(fā)明中微觀結(jié)構(gòu)有序化、致密化和石墨化可高效完成，可獲的具有高導(dǎo)熱系數(shù)的碳基復(fù)合材料導(dǎo)熱片，其導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的膨脹石墨熱壓卷材以及其他膨脹石墨和碳纖維復(fù)合材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
:
[0021]圖1為本發(fā)明的導(dǎo)熱片的微觀示意圖，包括復(fù)合形式和熱壓方向；
[0022]圖2為膨脹石墨的掃描電鏡圖片；
[0023]圖3為碳纖維短切后的圖片。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面給出本發(fā)明的6個(gè)實(shí)施例，是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說明，而不是限制本發(fā)明的范圍。
[0025]實(shí)施例1
[0026]選擇膨脹率為100的膨脹石墨。將直徑30微米的碳纖維剪切成長(zhǎng)度小于45微米的短切碳纖維(長(zhǎng)徑比1.5)。將中間相浙青研磨至150目并攪拌溶解分散在甲苯溶液中。將膨脹石墨(50、短切碳纖維(質(zhì)量比30和浙青甲苯溶液(浙青質(zhì)量比20混合后，以
的轉(zhuǎn)速攪拌4小時(shí)，然后在1501下迅速烘干、粉碎。將以上混合物料置于石墨模具中在501？3壓力預(yù)壓成型，取出后將其置于馬弗爐中緩慢升溫至2501并保溫4小時(shí)，然后在13001的溫度和501？3壓力下進(jìn)行真空熱壓，保溫保壓1小時(shí)后獲得石墨導(dǎo)熱片，測(cè)試沿平面方向?qū)崧蕿?49.10，沿厚度方向?qū)崧蕿?9.71/(111-1().
[0027]實(shí)施例2
[0028]將可膨脹石墨在10001下進(jìn)行膨脹，獲得膨脹率為200的膨脹石墨。將直徑30微米的碳纖維剪切成長(zhǎng)度小于30微米的短切碳纖維(長(zhǎng)徑比1)。將中間相浙青研磨至200目并攪拌溶解分散在氯仿溶液中。將膨脹石墨(4.50、短切碳纖維(質(zhì)量比況)和浙青氯仿溶液(浙青質(zhì)量比3.5^)混合后，以600170111的轉(zhuǎn)速攪拌0.5小時(shí)，然后在601^下迅速烘干、粉碎。將以上混合物料置于石墨模具中在40腿^壓力預(yù)壓成型，取出后將其置于馬弗爐中緩慢升溫至3301并保溫1小時(shí)，然后在14001的溫度和401？3壓力下進(jìn)行真空熱壓，保溫保壓4小時(shí)后獲得石墨導(dǎo)熱片，測(cè)試沿平面方向?qū)崧蕿?40.61/0:！ ? 10，沿厚度方向?qū)崧蕿?19.41/(0.1()。
[0029]實(shí)施例3
[0030]將可膨脹石墨在10501下進(jìn)行膨脹，獲得膨脹率為260的膨脹石墨。將直徑40微米的碳纖維剪切成長(zhǎng)度小于60微米的短切碳纖維，如圖3所示，短切碳纖維直徑40微米，長(zhǎng)度為60微米，長(zhǎng)徑比1.5。將中間相浙青研磨至200目并攪拌溶解分散在石油醚溶液中。將膨脹石墨(?)、短切碳纖維(質(zhì)量比匕)和浙青石油醚溶液(浙青質(zhì)量比匕)混合后，以4001-/^11111的轉(zhuǎn)速攪拌2小時(shí)，然后在1201下迅速烘干、粉碎。將以上混合物料置于石墨模具中在101？3壓力預(yù)壓成型，取出后將其置于馬弗爐中緩慢升溫至2701并保溫2小時(shí)，然后在15001的溫度和401？3壓力下進(jìn)行真空熱壓，保溫保壓2小時(shí)后獲得石墨導(dǎo)熱片，測(cè)試沿平面方向?qū)崧蕿?63.10，沿厚度方向?qū)崧蕿?9.51/(111-1().
[0031]實(shí)施例4
[0032]將可膨脹石墨在12001下進(jìn)行膨脹，獲得膨脹率為300的膨脹石墨。將直徑30微米的碳纖維剪切成長(zhǎng)度小于40微米的短切碳纖維(長(zhǎng)徑比1.3)。將中間相浙青研磨至150目并攪拌溶解分散在四氯化碳溶液中。將膨脹石墨(4.50、短切碳纖維(質(zhì)量比4.50和浙青四氯化碳溶液(浙青質(zhì)量比混合后，以30017111111的轉(zhuǎn)速攪拌2小時(shí)，然后在120。〇下迅速烘干、粉碎。將以上混合物料置于石墨模具中在5腿^壓力預(yù)壓成型，取出后將其置于馬弗爐中緩慢升溫至2801并保溫4小時(shí)，然后在15001的溫度和301？3壓力下進(jìn)行真空熱壓，保溫保壓1小時(shí)后獲得石墨導(dǎo)熱片，測(cè)試沿平面方向?qū)崧蕿?45.21/0:！ 4)，沿厚度方向?qū)崧蕿?3.61/(111-1().
[0033]實(shí)施例5
[0034]選擇膨脹率為200的膨脹石墨。將直徑20微米的碳纖維剪切成長(zhǎng)度小于30微米的短切碳纖維(長(zhǎng)徑比1.5)。將中間相浙青研磨至200目并攪拌溶解分散在喹啉溶液中。將膨脹石墨(50、短切碳纖維(質(zhì)量比4.20和浙青喹啉溶液(浙青質(zhì)量比0.80混合后，以30017^111的轉(zhuǎn)速攪拌2小時(shí)，然后在1201下迅速烘干、粉碎。將以上混合物料置于石墨模具中在101？3壓力預(yù)壓成型，取出后將其置于馬弗爐中緩慢升溫至2701并保溫2小時(shí)，然后在16001的溫度和401？3壓力下進(jìn)行真空熱壓，保溫保壓2小時(shí)后獲得石墨導(dǎo)熱片，測(cè)試沿平面方向?qū)崧蕿?46.81/(0 - 10，沿厚度方向?qū)崧蕿?0.41/(111 - 1()。
[0035]實(shí)施例6
[0036]選擇膨脹率為300的膨脹石墨。將直徑30微米的碳纖維剪切成長(zhǎng)度小于45微米的短切碳纖維(長(zhǎng)徑比1.5)。將中間相浙青研磨至200目并攪拌溶解分散在吡啶溶液中。將膨脹石墨(68)、短切碳纖維(質(zhì)量比20和浙青吡啶溶液(浙青質(zhì)量比20混合后，在絕對(duì)壓強(qiáng)小于1腿^的負(fù)壓環(huán)境下，以30017^111的轉(zhuǎn)速攪拌2小時(shí)，然后在1201下迅速烘干、粉碎。將以上混合物料置于石墨模具中在25即3壓力預(yù)壓成型，取出后將其置于馬弗爐中緩慢升溫至2701并保溫3小時(shí)，然后在18001的溫度和251？3壓力下進(jìn)行真空熱壓，保溫保壓2小時(shí)后獲得石墨導(dǎo)熱片，測(cè)試沿平面方向?qū)崧蕿?63.31/0:！ ? 10，沿厚度方向?qū)崧蕿?24.71/ (111.1()。
【權(quán)利要求】
1.一種沿平面和厚度方向同時(shí)具有高導(dǎo)熱系數(shù)碳基復(fù)合材料的制備方法，其特征是 1)將膨脹率大于100的膨脹石墨、長(zhǎng)徑比小于1.5的碳纖維小柱和粒徑小于150目的中間相浙青放在溶劑中攪拌分散，以100?600r/min的轉(zhuǎn)速常溫?cái)嚢?.5?4小時(shí)，于60?150°C條件下烘干，粉碎； 2)將以上混合物料在小于50MPa壓力下預(yù)壓成型，然后將其置于馬弗爐中升溫至250?330°C并保溫I?4小時(shí)，隨后將預(yù)氧化的胚體置于石墨模具中，將其一并置于真空熱壓爐中進(jìn)行高溫?zé)釅?，熱壓溫度?300°C以上，熱壓壓力為5?50MPa，保溫保壓I?4小時(shí)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的溶劑為甲苯、氯仿、石油醚、四氯化碳、喹啉或吡啶。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述膨脹石墨、短切碳纖維和中間相浙青的質(zhì)量百分含量為: 膨脹石墨:45%?80%， 短切碳纖維:10?45% ； 中間相浙青:8?35%。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是原料的混合過程中為提高浙青在膨脹石墨孔中的浸潰效率，將膨脹石墨、短切碳纖維和中間相浙青在負(fù)壓條件下攪拌混合，絕對(duì)壓強(qiáng)小于IMPa。
【文檔編號(hào)】C04B35/83GK104446587SQ201410681444
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】封偉, 秦盟盟, 馮奕鈺 申請(qǐng)人:天津大學(xué)