專利名稱：一種高導(dǎo)熱中間相瀝青基炭材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種炭材料的制備方法，具體地說涉及一種高導(dǎo)熱中間相瀝青基炭材料的制備方法。
背景技術(shù)：
在航天器的高功率密度器件，高功率密度電子儀表及大型計算機中均要求采用高導(dǎo)熱材料散熱板，而銅、銀等導(dǎo)熱性能良好的材料則因密度高，膨脹系數(shù)高等缺點不適合在上述場合使用。炭材料因具有低密度、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)高溫高強等優(yōu)異性能成為90年代中期以來研制高導(dǎo)熱材料的熱點之一。石墨晶體沿纖維軸取向程度是決定其高導(dǎo)熱性的主要內(nèi)在因素，其中紡成纖維的中間相瀝青分子結(jié)構(gòu)沿纖維軸高度擇優(yōu)取向，然后再經(jīng)過炭化、石墨化，變?yōu)槭w結(jié)構(gòu)沿纖維軸高度擇優(yōu)取向的炭纖維，具有極高的傳導(dǎo)性，可高達(dá)1100W/(m·K)，為銅的3倍左右。
美國Clemeson大學(xué)的Edie教授在<Carbon>雜志1990年22卷和1994年第32卷的論文中報道三瓣形，C形以及帶形等非圓形中間相瀝青炭纖維，與具有相同截面積的圓形炭纖維比較，不熔化過程中氧從表面向內(nèi)擴散距離較小，而且具有更高的抗拉強度及模量。特別是帶狀炭纖維，更易發(fā)展線性結(jié)構(gòu)，比相同截面積的圓形炭纖維具有更低的電阻率、更高的導(dǎo)熱率。本發(fā)明中采用矩形截面微孔噴絲板，將中間相瀝青紡成帶形纖維。
當(dāng)前研究中，由于中間相瀝青基炭纖維熱導(dǎo)率高，而且密度小，質(zhì)量輕，可將其制成高導(dǎo)熱復(fù)合材料帶或板。此外在該工藝流程為中間相瀝青熔融紡絲、不熔化、炭化、石墨化，然后鋪層與樹脂或其它基體復(fù)合成材料，工藝較復(fù)雜；而且，當(dāng)纖維與其它基體復(fù)合后，基體將對中間相纖維的軸向取向產(chǎn)生影響；此外，基體較低的熱導(dǎo)率也必將降低材料整體的熱導(dǎo)率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種制備高導(dǎo)熱中間相瀝青基炭材料的制備方法，該制備方法簡單，并且可以避免填料或粘結(jié)劑的干擾，直接制得高導(dǎo)熱炭材料。
本發(fā)明中制備高導(dǎo)熱中間相瀝青基材料的制備方法是首先將中間相瀝青經(jīng)氣壓式熔融紡絲裝置紡成帶狀纖維；第二步是對纖維進(jìn)行適度不熔化處理；第三步是在不引入其它成分前提下，將不熔化纖維直接模壓成型；最后對上述材料進(jìn)行炭化，石墨化。
本發(fā)明具體制備方法包括如下步驟采用帶形中間相瀝青纖維并在180℃～280℃之間不熔化，不熔化升溫速率為0～150℃內(nèi)1～5℃/min，150℃～最終溫度為0.2～0.6℃/min，并于不熔化最終溫度停留1～3小時；于模壓壓力20～100MPa壓力和模壓溫度200～300℃下直接模壓成型；再炭化、石墨化制成高導(dǎo)熱材料。
如上所述模壓壓力最好為30～80MPa，模壓溫度最好為240～300℃。
如上所述的帶形中間相瀝青纖維截面形狀為矩形。
所述的帶形中間相瀝青纖維所用原料為各向異性含量為100％的中間相瀝青，通過氣壓式熔融紡絲裝置紡成帶形截面纖維。與通用級瀝青相比，中間相瀝青更容易在紡絲過程中取向，獲得沿纖維軸高度擇優(yōu)取向的纖維，進(jìn)而制得高導(dǎo)熱材料。
本發(fā)明中帶形纖維不熔化的主要目的是使纖維在后面的工藝中既能保持住中間相瀝青在紡絲過程中形成的高度擇優(yōu)取向，又使纖維在熱模壓工藝中保持一定的自粘結(jié)性，使纖維在不加入任何成分的情況下能自粘結(jié)模壓成型。不熔化溫度過高，將使材料失去自粘結(jié)性，難以壓制成型或在炭化、石墨化過程中產(chǎn)生裂紋。
熱模壓的壓力和溫度也是本發(fā)明需要控制的一個重要方面。模壓壓力過大將使帶形中間相不熔化纖維斷裂，嚴(yán)重影響材料的熱導(dǎo)性能，壓力過低，纖維之間粘結(jié)較弱，影響所得材料強度；模壓溫度過高，若在其軟化點附近，使其中間相大分子發(fā)生運動，破壞其有規(guī)取向結(jié)構(gòu)，也將嚴(yán)重影響其傳導(dǎo)性能。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點1.工藝簡單，采用純中間相瀝青纖維并適度不熔化，直接模壓成型，再炭化、石墨化制成高導(dǎo)熱材料，可以省去纖維與基體和粘結(jié)劑的復(fù)合工藝。
2.對中間相瀝青纖維進(jìn)行適度不熔化，以保持其在不熔化后面模壓過程中有自粘結(jié)作用，既能模壓成型又使纖維的基本取向結(jié)構(gòu)不被破壞。
3.由于本發(fā)明在材料成型工藝中，完全不引入其它成分。可有效避免在高導(dǎo)熱炭復(fù)合材料中其它成分(如粘結(jié)劑和填料)對中間相瀝青炭纖維取向性及對材料整體導(dǎo)熱性的干擾。
4.本發(fā)明所紡纖維截面為帶狀，比相同截面的圓形纖維具有更高的熱導(dǎo)率，并且在無粘結(jié)劑熱模壓工藝中帶形纖維之間結(jié)合更緊密。
具體實施例方式
實施例1將中間相瀝青精制后，進(jìn)行熔融紡絲，噴絲板微孔截面為矩形。將所紡中間相瀝青帶形纖維放入間歇式玻璃管不熔化爐中進(jìn)行不熔化所用氧化介質(zhì)為空氣，通入加熱爐中，再進(jìn)入不熔化爐中對纖維進(jìn)行不熔化處理；不熔化升溫速率為0～150℃內(nèi)5℃/min，150～280℃為0.5℃/min，恒溫2小時。然后將不熔化帶狀纖維鋪層進(jìn)行熱模壓。模壓溫度300℃，壓力為80MPa，模壓成型。最后對模壓材料進(jìn)行炭化(900℃，停留60分鐘)，石墨化(2600℃，停留20分鐘)。這時所得材料的熱導(dǎo)率為336W/(m·K)，密度為1.50g/cm3。熱導(dǎo)率根據(jù)GB-3399-82(88)相對比較法測得。
實施例2取實施例1中所制不熔化中間相瀝青基帶形截面纖維，鋪層后在300℃，壓力為30MPa下模壓成型。然后對成型材料在實施例1中的炭化及石墨化條件下進(jìn)行炭化、石墨化。所得材料的熱導(dǎo)率為256W/(m·K)，密度為1.46g/cm3。
實施例3取實施例1中所紡帶形截面中間相瀝青基纖維進(jìn)行不熔化處理。升溫制度為0～150℃內(nèi)1℃/min，150～260℃為0.5℃/min，恒溫2小時，對纖維鋪層并在80MPa，300℃下模壓成型。然后對材料在實施例1中的炭化及石墨化條件下進(jìn)行炭化、石墨化。所得材料的熱導(dǎo)率為398W/(m·K)，密度為1.66g/cm3。
實施例4取實施例1中所紡帶形截面中間相瀝青基纖維進(jìn)行不熔化處理。升溫制度為0～150℃內(nèi)2℃/min，150～220℃為0.5℃/min，恒溫2小時，然后對纖維鋪層并在80MPa，260℃下模壓成型。然后對材料在實施例1中的炭化及石墨化條件下進(jìn)行炭化、石墨化。所得材料的熱導(dǎo)率為491W/(m·K)，密度為1.74g/cm3。
權(quán)利要求
1.一種高導(dǎo)熱中間相瀝青基炭材料的制備方法，其特征在于包括步驟采用帶形中間相瀝青纖維并在180℃～280℃之間不熔化，不熔化升溫速率為0～150℃內(nèi)1～5℃/min，150℃～最終溫度為0.2～0.6℃/min，并于不熔化最終溫度停留1～3小時；于模壓壓力20～100MPa壓力和模壓溫度200～300℃下直接模壓成型；再炭化、石墨化制成高導(dǎo)熱材料。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高導(dǎo)熱中間相瀝青基炭材料的制備方法，其特征在于所述的模壓壓力為30～80MPa。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高導(dǎo)熱中間相瀝青基炭材料的制備方法，其特征在于所述的模壓溫度為240～300℃。
4.如權(quán)利要求1所述的一種高導(dǎo)熱中間相瀝青基炭材料的制備方法，其特征在于所述的帶形中間相瀝青纖維截面形狀為矩形。
全文摘要
一種高導(dǎo)熱中間相瀝青基炭材料的制備方法，采用帶形中間相瀝青纖維并在180℃～280℃之間不熔化，不熔化升溫速率為0～150℃內(nèi)1～5℃/min，150℃～最終溫度為0.2～0.6℃/min，并于不熔化最終溫度停留1～3小時；于模壓壓力20～100MPa壓力和模壓溫度200～300℃下直接模壓成型；再炭化、石墨化制成高導(dǎo)熱材料。本發(fā)明具有工藝簡單，避免填料或粘結(jié)劑的干擾，直接制得高導(dǎo)熱炭材料的優(yōu)點。
文檔編號C09C1/44GK1631993SQ200410064588
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月7日
發(fā)明者劉朗, 馬兆昆, 史景利, 郭全貴, 翟更太, 宋進(jìn)仁 申請人:中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所