CN101508433B

CN101508433B - 一种高导热石墨化炭材料及其制备方法

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Publication number: CN101508433B
Application number: CN2009100483970A
Authority: CN
Inventors: 金鸣林; 刘荣华
Original assignee: Shanghai Institute of Technology
Current assignee: Shanghai Institute of Technology
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: CN101508433A

Abstract

本发明涉及一种高导热石墨化炭材料及其制备方法，是选择喹啉不溶物含量0.01％～1.0％的软化点在80～200℃之间的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到在反应器内热聚合得到中间相含量在50％～95％、软化点高于250℃～350℃的中间相沥青。然后，将中间相沥青装入液压成型机内由室温升至2600℃、成型压力控制在5～50MPa之间、时间10～20h。通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构与自粘结和压力作用实现致密化，即得到导热系数为105～550W/m.K的高导热石墨化炭材料。

Description

一种高导热石墨化炭材料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种高导热石墨化炭材料及其制备方法。

背景技术：

随着电子产品的集成度越来越高，单位面积内的电子元件的数量呈几何级的数量增长，相应带来因运行产生的热量导致电子元器件失效问题。因此，热量的散发问题已经成为电子产品小型化、集成化的瓶颈所在。为保证设备的稳定运行，需要将电子元件运行过程中产生的热量及时地散发出去，因而对材料的热传导性能提出了很高的要求^[1]。目前广泛用到的散热元件主要由金属材料(如铜和铝等)制得。一些常用金属在室温下的导热率见表1。

表1一些材料的室温热导率

炭基材料却具有超高的热导率(II a型金刚石热导率2000～2100W/(m·K)，石墨材料单晶面向热导率2200W/(m·K)，是传统金属材料铜、银及铝的5～12倍)、低密度、比金属低得多的热膨胀系数、良好的高温机械性能等优异性能，通过对比不难看出，高导热炭基材料与金属导热材料相比具有独特的优势，现在也已广泛应用于航空航天领域，如航天飞行器的许多高功率装置、表面防护层的热结构材料、导弹和飞行器的鼻锥体，固体火箭发动机的喷管以及高速喷气飞机的刹车副等^[4]。随着研究的不断深入，炭基材料在导热领域将成为较为理想的金属替代材料，用于民用的计算技术、通讯、电子等领域，是近年来最具发展前景的一类散热材料。

目前国内外制备高导热炭材料的方法主要采用炭纤维为基材料，通过编织、炭化和石墨化过程中碳网分子的致密化与有序化排列实现高的导热性。如：商业化BPAMOCO公司制得的沥青基炭纤维K-1100的导热率达到了950～1170W/m.K，比铜的导热率高出了近一倍。

由于炭纤维的制备、编织与其致密化过程所造成的价格昂贵，使其应用受到很大限制，为此国内外根据应用特点开展以短切纤维为主的高导热炭材料的研究。如：Amoco公司采用与K-1100X相同的中间相沥青为原料，经初生中间相纤维预氧化、热模压、炭化、约5000℃石墨化后制得无粘接自增强Thermal Graph板，炭纤维体积含量为82％时室温热导率可达746W/(m·K)。中南大学粉末冶金国家重点实验室，以少量炭布混合乱短纤维作为增强体，基体为沥青炭，模压成型，石墨化后得到导热系数为161W/m·K的炭材料。

山西煤炭化学研究所的刘郎、邱海鹏等[发明专利公开号：CN1421493A]人采用石油针状焦粉碎小于2.0mm后煅烧，再以煤沥青为粘结剂与热压成型与石墨化得到导热系数为150W/(m·K)的炭材料。发明专利[公开号：[CN1421417A]提出一种制备高导热炭/陶瓷复合材料的方法，即以粉碎的石油焦为原料，以钛粉和锆粉为添加剂，以煤沥青为粘合剂，通过热压成型制备出导热率达到250W/(m·K)的炭/陶瓷复合材料。

对于石墨片层，碳原子的晶格振动是材料热传导的基础，热能的传播可看成是声子以弹性波的形式进行。因此，炭材料的致密化程度、石墨化程度、内部缺陷以及长程有序程度将直接影响其导热特性。

对比已有的制备方法和发明专利可见，采用炭纤维为基体材料，采用编织、经致密化与石墨化处理能够得到高导热炭材料，终因炭纤维的高成本、制备工序长，导致综合成本太高，使得难以推广使用。采用针状焦为基体炭材料，通过粉碎与添加粘合剂，热压成型虽可以制备导热炭材料，终因存在引入粘合剂所造成的第二相缺陷和针状焦的无序排列等原因使得难以制备出高导热炭材料。因此，现有已公开的发明专利所获得的导热系数远不能够满足电子产品、计算机以及航空航天等领域对轻质材料导热能力的要求。

发明内容

本发明的目的针对现有高导热炭材料及其制备方法中存在的问题，提出一种新的高导热石墨化炭材料及其制备方法。

本发明的技术方案

本发明的一种高导热炭材料

一种高导热炭材料，其原料为：喹啉不溶物含量为0.01～1.0％(wt％)、软化点在80～200℃之间的煤沥青。

本发明的一种高导热炭材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)、将喹啉不溶物含量为0.01～1.0％(wt％)、软化点在80～200℃之间的煤沥青在氮气保护下加入反应器内，升温到400～450℃，搅拌，搅拌转速为2～5r/min，恒温反应时间5～15h得到中间相含量的质量百分比为50％～95％、软化点为250℃～350℃的中间相沥青；

(2)、将步骤(1)获得的软化点为250℃～350℃的中间相沥青在氮气的保护下装入液压成型机，由室温升至2600℃、压力控制在5～50MPa之间、时间为10～20h成型。

通过该步骤的热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化，即得到导热系数为105～550W/m.K的高导热石墨化炭材料。

本发明的有益效果

本发明所用的原料易得，原料煤沥青来源广泛，喹啉不溶物的净化要求则在现有煤焦油加工工艺中适当增加喹啉不溶物分离净化装置即可获得。

本发明的工艺简单，有序化、高致密与石墨化为一次完成，相应成本低。又因制备过程中自粘结炭材料，没有外加第二相粘结剂所引起的热传导缺陷，其导热能力比传统导热物质如金属材料的导热系数要高。

具体实施方式：

下面通过实施例对本发明进行阐述，但不限制本发明。

导热系数测定：按GB-3399-82(88)标准相对比较法测试得到导热系数。

实施例1

选择喹啉不溶物含量0.01％、软化点在80.5℃的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到反应器中，加热升温到420℃，搅拌转速为3r/min，反应时间5h。煤沥青在反应器内热聚合得到中间相含量在55.0％、软化点255℃中间相沥青。然后，将所获得的中间相沥青装入液压成型机内，由室温升至2600℃、成型压力控制在10MPa、时间10h，通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化、石墨化，最终得到高导热石墨化炭材料。将制备的高导热石墨化炭材料试样加工成φ20×20mm规格的样品，经导热系数测试得到其导热系数为135W/m.K。

实施例2

选择喹啉不溶物含量0.05％、软化点在80.5℃的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到反应器中，加热升温到420℃、搅拌转速为3r/min，反应时间5h。煤沥青在反应器内热聚合得到中间相含量在55.0％、软化点255℃中间相沥青。然后，将获得的中间相沥青装入液压成型机内由室温升温至2600℃、成型压力控制在20MPa、时间20h，通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化、石墨化，最终得到高导热石墨化炭材料。将制备的高导热石墨化炭材料试样加工成φ20×20mm规格的样品，经导热系数测试得到其导热系数为165W/m.K。

实施例3

选择喹啉不溶物含量0.08％、软化点在80.5℃的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到反应器中，加热升温到430℃、搅拌转速为5r/min、反应时间15h。煤沥青在反应器内热聚合得到中间相含量在93.8％、软化点310℃中间相沥青。然后，将获得的中间相沥青装入液压成型机内，由室温升至2600℃、成型压力控制在10MPa、时间10h，通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化、石墨化，最终得到高导热石墨化炭材料。将制备的高导热石墨化炭材料试样加工成φ20×20mm规格的样品，经导热系数测试得到其导热系数为385W/m.K。

实施例4

选择喹啉不溶物含量0.1％、软化点在80.5℃的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到反应器中，加热升温到430℃、搅拌转速为3r/min、反应时间15h。煤沥青在反应器内热聚合得到中间相含量在93.8％、软化点310℃中间相沥青。然后，将获得的中间相沥青装入液压成型机内，由室温升温至2600℃、成型压力在45MPa、时间20h，通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化、石墨化，最终得到高导热石墨化炭材料。将制备的高导热石墨化炭材料试样加工成φ20×20mm规格的样品，经导热系数测试得到其导热系数为555W/m.K。

实施例5

选择喹啉不溶物含量0.1％、软化点在235℃的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到反应器中，加热升温到410℃、搅拌转速为5r/min、反应时间5h。煤沥青在反应器内热聚合得到中间相含量在65.0％、软化点280℃中间相沥青。然后，将获得的中间相沥青装入液压成型机内，由室温升至2600℃、成型压力控制在15MPa、时间10h，通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化、石墨化，最终得到高导热石墨化炭材料。将制备的高导热石墨化炭材料试样加工成φ20×20mm规格的样品，经导热系数测试得到其导热系数为255W/m.K。

实施例6

选择喹啉不溶物含量0.2％、软化点在235℃的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到反应器中，加热升温到400℃、搅拌转速为5r/min、反应时间5h。煤沥青在反应器内热聚合得到中间相含量在65.0％、软化点280℃中间相沥青。然后，将获得的中间相沥青装入液压成型机内，由室温升至2600、成型压力控制在20MPa、时间20h，通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化、石墨化，最终得到高导热石墨化炭材料。将制备的高导热石墨化炭材料试样加工成φ20×20mm规格的样品，经导热系数测试得到其导热系数为290W/m.K。

实施例7

选择喹啉不溶物含量小于0.4％、软化点在235℃的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到反应器中，加热升温到435℃、搅拌转速为5r/min、反应时间10h。煤沥青在反应器内热聚合得到中间相含量在90.4％、软化点350℃中间相沥青。然后，将获得的中间相沥青装入液压成型机内，由室温升至2600℃、成型压力控制在25MPa、时间10h，通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化、石墨化，最终得到高导热石墨化炭材料。将制备的高导热石墨化炭材料试样加工成φ20×20mm规格的样品，经导热系数测试得到其导热系数为350W/m.K。

实施例8

选择喹啉不溶物含量0.5％、软化点在235℃的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到反应器中，加热升温到435℃、搅拌转速为5转/min、反应时间10小时。煤沥青在反应器内热聚合得到中间相含量在90.4％、软化点350℃中间相沥青。然后，将获得的中间相沥青装入液压成型机内，由室温升至2600℃、成型压力控制在40MPa、时间20h，通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化、石墨化，最终得到高导热石墨化炭材料。将制备的高导热石墨化炭材料试样加工成φ20×20mm规格的样品，经导热系数测试得到其导热系数为385W/m.K。

实施例9

选择喹啉不溶物含量0.7％、软化点在80.0℃的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到反应器中，加热升温到440℃、搅拌转速为3r/min、反应时间5h。煤沥青在反应器内热聚合得到中间相含量在53.0％、软化点295℃中间相沥青。然后，将获得的中间相沥青装入液压成型机内，由室温升至2600℃、成型压力控制在25MPa之间、时间10h。通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化、石墨化，最终得到高导热石墨化炭材料。将制备的高导热石墨化炭材料试样加工成φ20×20mm规格的样品，经导热系数测试得到其导热系数为105W/m.K。

实施例10

选择喹啉不溶物含量0.8％、软化点在80.0℃的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到反应器中，加热升温到440℃、搅拌转速为3r/min、反应时间5h。煤沥青在反应器内热聚合得到中间相含量在53.0％、软化点295℃中间相沥青。然后，将获得的中间相沥青装入液压成型机内，由室温升至2600℃、成型压力控制在40MPa、时间20h，通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化、石墨化，最终得到高导热石墨化炭材料。将制备的高导热石墨化炭材料试样加工成φ20×20mm规格的样品，经导热系数测试得到其导热系数为155W/m.K。

实施例11

选择喹啉不溶物含量0.9％、软化点在80.0℃的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到反应器中，加热升温到445℃，搅拌转速为5r/min、反应时间15h。煤沥青在反应器内热聚合得到中间相含量在93.5％、软化点320℃中间相沥青。然后，将获得的中间相沥青装入液压成型机内，由室温升至2600℃、成型压力控制在20MPa之间、时间10h，通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化、石墨化，最终得到高导热石墨化炭材料。将制备的高导热石墨化炭材料试样加工成φ20×20mm规格的样品，经导热系数测试得到其导热系数为285W/m.K。

实施例12

选择喹啉不溶物含量1.0％、软化点在80.0℃的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到反应器中，加热升温到445℃、搅拌转速为5r/min、反应时间15h。煤沥青在反应器内热聚合得到中间相含量在93.5％、软化点320℃中间相沥青。然后，中间相沥青装入液压成型机内在室温升至2600℃、成型压力在5～50MPa之间、时间20h，通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化、石墨化，最终得到高导热石墨化炭材料。将制备的高导热石墨化炭材料试样加工成φ20×20mm规格的样品，经导热系数测试得到其导热系数为350W/m.K。

实施例13

选择喹啉不溶物含量1.0％、软化点在220℃的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到反应器中，加热升温到410℃、搅拌转速为3r/min、反应时间5h。煤沥青在反应器内热聚合得到中间相含量在59.0％、软化点310℃中间相沥青。然后，将得到的中间相沥青装入液压成型机内，由室温升至2600℃、成型压力控制在20MPa之间、时间10h，通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化、石墨化，最终得到高导热石墨化炭材料。将制备的高导热石墨化炭材料试样加工成φ20×20mm规格的样品，经导热系数测试得到其导热系数为155W/m.K。

实施例14

选择喹啉不溶物含量1.0％、软化点在220℃的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到反应器中，加热升温到410℃、搅拌转速为3r/min、反应时间5h。煤沥青在反应器内热聚合得到中间相含量在59.0％、软化点310℃中间相沥青。然后，将获得的中间相沥青装入液压成型机内，由室温升至2600℃、成型压力控制在50MPa、时间20h，通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化、石墨化，最终得到高导热石墨化炭材料。将制备的高导热石墨化炭材料试样加工成φ20×20mm规格的样品，经导热系数测试得到其导热系数为190W/m.K。

实施例15

选择喹啉不溶物含量1.0％、软化点在220℃的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到反应器中，加热升温到440℃、搅拌转速为5r/min，反应时间10h。煤沥青在反应器内热聚合得到中间相含量在94.0％、软化点350℃中间相沥青。然后，将所获的的中间相沥青装入液压成型机内，由室温升至2600℃、成型压力控制在25MPa之间、时间10h，通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化、石墨化，最终得到高导热石墨化炭材料。将制备的高导热石墨化炭材料试样加工成φ20×20mm规格的样品，经导热系数测试得到其导热系数为350W/m.K。

实施例16

选择喹啉不溶物含量小于1.0％、软化点在220℃的煤沥青为原料，在氮气保护下加入到反应器中，加热升温到440℃、搅拌转速为5r/min、反应时间10h。煤沥青在反应器内热聚合得到中间相含量在95％、软化点350℃中间相沥青。然后，将获得的中间相沥青装入液压成型机内，由室温升至2600℃、成型压力在30MPa、时间20h，通过热态、高压成型过程中中间相分子自组装，实现原位生长获得长程有序结构；通过自粘结和压力作用实现致密化、石墨化，最终得到高导热石墨化炭材料。将制备的高导热石墨化炭材料试样加工成φ20×20mm规格的样品，经导热系数测试得到其导热系数为420W/m.K。

Claims

1.一种高导热石墨化炭材料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)、选择喹啉不溶物含量重量百分比为0.01～1.0％、软化点在80～200℃之间的煤沥青为原料，在氮气保护下加入反应器内，升温到400～450℃，搅拌，搅拌转速为2～5r/min，恒温反应时间5～15h得到中间相含量的质量百分比为50％～95％、软化点为250℃～350℃的中间相沥青；

(2)、将步骤(1)获得的软化点为250℃～350℃的中间相沥青在氮气的保护下装入液压成型机，由室温升至2600、压力控制在5～50MPa之间、时间为10～20h成型，即得到导热系数为105～550W/m·K的高导热石墨化炭材料。