CN104876580B - 一种轻质高导热碳基材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻质高导热碳基材料的制备方法，以气相生长碳纤维或高导热中间相沥青短切纤维为增强体，以中间相沥青为粘结剂，通过一系列工艺流程制备得到一种多孔结构的轻质高导热碳基材料。它有别于常规的致密高导热碳/碳复合材料，该种轻质高导热碳基材料内部为多孔结构，密度仅为致密高导热碳/碳复合材料的1/3～1/4；它同样也有别于常规的泡沫碳材料，在密度相当的情况下，其压缩强度远高于泡沫碳材料。该种轻质高导热碳基材料有望在热管理、化学储能、催化等领域得到广泛推广和应用。

Description

一种轻质高导热碳基材料的制备方法

技术领域

本发明涉及高导热碳基材料，特别是一种轻质高导热碳基材料的制备方法，属于碳材料制造技术领域，可应用于航空航天飞行器、电子仪器设备等的热管理与热疏导，也可应用于电池电极、催化剂载体、吸附材料等。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展，热耗散和热管理成为许多领域发展的关键技术。航天飞行器的许多电子部件需要在40～60℃的环境温度下正常工作,随着电子科技的发展，飞行器电子设备日趋小型化、轻质化、结构更为紧凑，运行过程中会产生和积累大量的热量，对作为热控重要组成部分的散热材料也提出了越来越高的要求。卫星等空间飞行器的大面积薄板结构、导弹鼻锥体、固体火箭发动机喷管等航天领域工作温度较严峻的部位及核聚变堆用面对等离子体材料等，需材料具有质量轻、热导率高、耐热冲击和膨胀系数低等优异的综合性能^[2]～[8]；邻近空间高超声速飞行器的驻点温度高、热应力突出，需要轻质、耐高温、高导热材料发挥热疏导功能，从而简化防热设计，增加飞行器可靠性；相控阵雷达核心部件T/R组件所用封装材料不仅要求与芯片材料的热膨胀系数(CTE)匹配，以避免芯片的热应力损坏，同时要求材料具有高导热性能，以便疏导和耗散运行时产生的热量，与半导体材料匹配良好的新型高导热封装材料越来越成为当前的研究热点；随着大型计算机、笔记本电脑的CPU及许多民用电器装置性能的不断提升，内部电子元器件日趋小型化、轻量化和紧凑化，对于散热材料的要求同样越来越高。传统的金属(铝、铜)散热材料由于其本身密度较大、热膨胀系数较高、微量杂质导致热导率大幅下降等缺陷,很难满足发展需求。高导热碳/碳复合材料以其优异的低密度、高导热性、低膨胀系数和独有的高温高强度(可应用于高达3000℃无氧或低氧环境中，材料强度从室温到2000℃随温度升高而升高)等性能成为目前最佳的高导热候选材料,有望代替传统材料，在新型热管理材料研发中占据主导地位。

发明内容

本发明解决的技术问题是：一种轻质高导热碳基材料的制备方法，可以制备具有低密度、高导热性、低膨胀系数和独有的高温高强度等优异性能的轻质高导热碳基材料。

本发明的技术方案：

一种轻质高导热碳基材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤(一)、将增强体放入强氧化性溶液中进行超声处理，处理完后进行过滤和大量去离子水清洗，去除残留的强氧化性溶液；

步骤(二)、将中间相沥青粉碎后过300目筛；

步骤(三)、将步骤(一)和步骤(二)中准备好的增强体和中间相沥青粉末分散在去离子水或乙醇溶液中，得到增强体和中间相沥青粉末均匀分散的悬浮溶液；

步骤(四)、在搅拌条件下对得到的悬浮溶液进行抽滤处理，所得滤饼通过干燥、高压发泡、碳化及高温石墨化处理后，即制得目标轻质高导热碳基材料。

步骤(一)中增强体为室温热导率大于500W/m·K气相生长碳纤维或高导热中间相沥青短切纤维。

步骤(三)中增强体和中间相沥青粉末的质量比为2:1～10:1。

步骤(四)中高压发泡的温度为300～500℃，压力为5～20MPa。

步骤(四)中碳化的工艺曲线为：从室温增加到350℃，升温速率为5～10℃/min；然后从350℃到650℃，升温速率为1～5℃/min；随后在650℃保温1～10h；接着从650℃升温到1500℃，升温速率为5～10℃/min，在1500℃保温1～5h；自由降温。

步骤(四)中高温石墨化处理的温度为2500℃以上。

本发明中的技术方案具有以下有益效果：

(1)、以热导率大于500W/m·K气相生长碳纤维或高导热中间相沥青短切纤维为增强体，此类碳纤维具有合适的长径比和超高的热导率，并已实现商品化，且价格远低于连续高导热碳纤维长丝；

(2)、以中间相沥青为粘结剂，中间相沥青具有高度的流动取向、易石墨化等特点，同时还具有良好的发泡能力，是制备高导热泡沫碳的主要原料。采用中间相沥青为粘结剂，实现对增强体碳纤维的粘结成型，同时利用中间相沥青的发泡特性，可进一步减轻目标材料密度。此外，中间相沥青还可在发泡过程中获得高度取向的孔壁结构，从而进一步提高材料的比热导率；

(3)、通过纤维表面处理、液相分散、抽滤成型、高压发泡碳化以及高温石墨化处理等一系列工艺流程制备得到该种轻质高导热碳基材料。纤维表面处理和液相分散可有效改善气相生长碳纤维与中间相沥青的分散均匀性；抽滤成型保证材料的轻质多孔结构特征，同时可在一定程度上促进气相生长碳纤维在抽滤平面方向上的有序排列；高压发泡碳化可实现对增强体碳纤维的粘结成型，并使中间相沥青的充分、均匀发泡，实现材料的多孔结构特征和中间相沥青的取向；高温石墨化处理可进一步促进材料的整体结构取向和高度石墨化，实现材料最终的高导热特征；

(4)、本专利提出了一种新型轻质导热碳基材料及其制备方法，制得的该种材料兼顾致密高导热碳/碳复合材料及高导热泡沫碳材料的特点，其内部为多孔结构，密度仅为致密高导热碳/碳复合材料的1/3～1/4；在密度相当的情况下，其压缩强度远高于泡沫碳材料，室温热导率最高可达200W/m·K以上。

具体实施方式

本发明提出了一种新型轻质导热碳基材料的制备方法，以气相生长碳纤维或高导热中间相沥青短切纤维为增强体，以中间相沥青为粘结剂，通过碳纤维表面处理、液相分散、抽滤成型、高压发泡、碳化以及高温石墨化处理等一系列工艺流程制备得到一种具有轻质、多孔、高导热全新的轻质高导热碳基材料。它有别于常规的致密高导热碳/碳复合材料，该种轻质高导热碳基材料内部为多孔结构，密度仅为致密高导热碳/碳复合材料的1/3～1/4；它同样也有别于常规的泡沫碳材料，在密度相当的情况下，其压缩强度远高于泡沫碳材料，热导率也更高。鉴于其优异性能，该种轻质高导热碳基材料有望得到广泛推广和应用。

本发明的轻质导热碳基材料的制备方法包括如下步骤：

步骤一、将增强体放入强氧化性溶液中进行超声处理，处理完后进行过滤和大量去离子水清洗，去除残留的强氧化性溶液；所述增强体为室温热导率大于500W/m·K气相生长碳纤维或高导热中间相沥青短切纤维；

步骤二、将中间相沥青粉碎后过300目筛；

步骤三、将步骤(一)和步骤(二)中准备好的增强体和中间相沥青粉末按一定计量比例分散在大量去离子水或乙醇溶液中，得到增强体和中间相沥青粉末均匀分散的悬浮溶液；其中，增强体和中间相沥青粉末的质量比为2:1～10:1；

步骤四、随后在搅拌条件下对得到的悬浮溶液进行抽滤处理，所得滤饼通过干燥、高压发泡、碳化及高温石墨化处理后，即制得目标轻质高导热碳基材料。其中，高压发泡的温度为300～500℃，压力为5～20MPa；所述碳化的工艺曲线为：室温～350℃，5～10℃/min；350～650℃，1～5℃/min；650℃，保温1～10h；650～1500℃，5～10℃/min，1500℃，保温1～5h；自由降温。所述高温石墨化处理的温度为2500℃以上。

下面结合实施例对本专利作进一步说明。

实施例1

1)将50g商品化气相生长碳纤维(室温热导率大于1000W/m·K，长径比大于1：1000)取出放入浓硝酸溶液中60℃恒温水浴并超声处理5h后，随后过滤并用大量去离子水冲洗去除残余的硝酸溶液，将处理好的纤维放入500ml乙醇溶液中搅拌分散，备用；

2)将中间相沥青粉碎成粉末后300目过筛处理，将20g中间相沥青粉末加入气相生长碳纤维的乙醇溶液中；

3)将气相生长碳纤维与中间相沥青的混合溶液进行高速球磨和砂磨处理后，取出倒入容器中，并加入2000ml乙醇稀释，利用机械搅拌机对稀释后的溶液进行搅拌；

4)将稀释后均匀分散的溶液进行抽滤处理，抽滤完成后，所得滤饼放在空气中自然晾干处理，去掉残余的乙醇；

5)将干燥后的滤饼放入高温高压釜中，随后充入氩气加压至8MPa，并升温至450℃，实现中间相沥青的发泡；

6)将发泡处理后的材料取出放入碳化炉中进行碳化处理，处理工艺为：室温～350℃，5℃/min；350～650℃，2℃/min；650℃，保温2h；650～1500℃，5℃/min，1500℃，保温2h；随后自由降温；

7)将碳化处理后的材料取出放入热处理炉中进行3000℃超高温石墨化处理，即制得目标轻质高导热碳基材料，经过测试，所制备的材料密度为0.8g/cm³，热导率为150W/m·K，压缩强度为10MPa。

实施例2

1)将100g商品化高导热中间相沥青短切纤维(室温热导率为900W/m·K，长径比为1：500)取出放入浓硝酸与浓硫酸混合溶液中60℃恒温水浴并超声处理5h后，随后过滤并用大量去离子水冲洗去除残余的混合溶液，将处理好的纤维放入1000ml去离子水中搅拌分散，备用；

2)将中间相沥青粉碎成粉末后300目过筛处理，将40g中间相沥青粉末加入高导热中间相沥青短切纤维的去离子水溶液中；

3)将高导热中间相沥青短切纤维与中间相沥青的混合溶液进行高速球磨和砂磨处理后，取出倒入容器中，并加入4000ml去离子水稀释，利用机械搅拌机对稀释后的溶液进行搅拌；

4)将稀释后均匀分散的溶液进行抽滤处理，抽滤完成后，所得滤饼放在空气中自然晾干处理，去掉残余的去离子水；

5)将干燥后的滤饼放入高温高压釜中，随后充入氩气加压至10MPa，并升温至480℃，实现中间相沥青的发泡；

6)将发泡处理后的材料取出放入碳化炉中进行碳化处理，处理工艺为：室温～450℃，5℃/min；450～650℃，2℃/min；650℃，保温2h；650～1500℃，5℃/min，1500℃，保温2h；随后自由降温；

7)将碳化处理后的材料取出放入热处理炉中进行3000℃超高温石墨化处理，即制得目标轻质高导热碳基材料，所制备的材料密度为0.5g/cm³，热导率为120W/m·K，压缩强度为8MPa。

本发明未详细说明的部分属本领域技术人员公知的常识。

Claims (4)

1.一种轻质高导热碳基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(一)、将增强体放入强氧化性溶液中进行超声处理，处理完后进行过滤和去离子水清洗，去除残留的强氧化性溶液；

步骤(二)、将中间相沥青粉碎后过300目筛；

步骤(三)、将步骤(一)和步骤(二)中准备好的增强体和中间相沥青粉末分散在去离子水或乙醇溶液中，得到增强体和中间相沥青粉末均匀分散的悬浮溶液；

步骤(四)、在搅拌条件下对得到的悬浮溶液进行抽滤处理，所得滤饼通过干燥、高压发泡、碳化及高温石墨化处理后，即制得目标轻质高导热碳基材料；

步骤(一)中增强体为室温热导率大于500W/m·K气相生长碳纤维或高导热中间相沥青短切纤维；

步骤(三)中增强体和中间相沥青粉末的质量比为2:1～10:1。

2.根据权利要求1所述的一种轻质高导热碳基材料的制备方法，其特征在于：步骤(四)中高压发泡的温度为300～500℃，压力为5～20MPa。

3.根据权利要求1所述的一种轻质高导热碳基材料的制备方法，其特征在于：步骤(四)中碳化的工艺曲线为：从室温增加到350℃，升温速率为5～10℃/min；然后从350℃到650℃，升温速率为1～5℃/min；随后在650℃保温1～10h；接着从650℃升温到1500℃，升温速率为5～10℃/min，在1500℃保温1～5h；自由降温。

4.根据权利要求1所述的一种轻质高导热碳基材料的制备方法，其特征在于：步骤(四)中高温石墨化处理的温度为2500℃以上。