CN105128366A - 一种碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的结构及方法 - Google Patents

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李勇
陈晓东
李吻
肖军
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Abstract

本发明公开了一种碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的结构及方法。属于功能复合材料技术领域。一种碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的结构，其特征在于：在碳纤维增强树脂基复合材料的厚度方向植入高导热碳纤维杆，以提高复合材料厚度方向的导热性能。所述的高导热碳纤维杆由高导热纤维及树脂组成。本发明可以显著提高碳纤维增强树脂基复合材料厚度方向的导热性能，弥补了其厚度方向导热性能差的缺点。同时本发明可以通过设计碳纤维杆的间距、截面尺寸、数量等参数，得到复合材料厚度方向不同的导热率，而且所用碳纤维杆轻质高强，制造成本低，满足航空航天事业对高导热复合材料的要求。

Description

一种碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的结构及方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的结构及方法，属于功能复合材料技术领域。
背景技术
随着航空航天事业的发展，发展功能性材料已成为必然趋势，其中对导热性能提出了越来越高的要求。碳纤维增强树脂基复合材料，以其优异的结构性能广泛应用于航空航天领域。通过提高碳纤维复合材料的导热性能，将有效的推动结构-功能一体化材料在我国航天事业的发展，为我国材料事业的进步做出贡献。但碳纤维的导热性能具有方向性，垂直纤维方向导热性能较低，约10W/(m·K)，造成碳纤维复合材料厚度方向导热性能不佳，因此一种可以提高其厚度方向导热性能的方法亟待发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的结构及方法。主要针对碳纤维复合材料厚度方向导电性能差的问题，采用碳纤维杆来提高其导热性能。
实现本发明目的的技术解决方案是：
一种碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的结构，在碳纤维增强树脂基复合材料的厚度方向植入高导热碳纤维杆，以提高复合材料厚度方向的导热性能。
一种碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的结构，在碳纤维增强树脂基复合材料的厚度方向植入金属材料制成的金属杆，以提高复合材料厚度方向的导热性能。所述金属材料包括铝、钢、钛。
所述厚度方向是指同时垂直于碳纤维增强树脂基复合材料的横向纤维方向与纵向纤维方向。
本发明还提供一种碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的方法，过程如下：
步骤一：以连续的3K导热碳纤维(3K是指碳纤维丝束)和环氧树脂(树脂型号为FW125)为原料，加入固化剂，通过拉挤设备固化制备高导热碳纤维杆；
步骤二：在树脂中加入导热填料纳米石墨烯，制备碳纤维增强树脂基复合材料预浸料，并进行裁剪；
步骤三：在专用模具上，按照设计的铺层顺序[0°/90°]10s(表示先连续铺10组0°/90°，再对称铺10组90°/0°，s表示对称，10表示10组)铺覆碳纤维增强复合材料层合板；
步骤四：采用自动植入设备将高导碳纤维杆植入到泡沫中；
步骤五：将泡沫中的高导热碳纤维杆采用热压或超声垂直植入步骤三中得到的碳纤维增强树脂基复合材料层合板中；
步骤六：在热压罐中使碳纤维杆增强树脂基复合材料结构固化。
进一步，步骤一中所述环氧树脂与固化剂的质量比为1:1.44；固化温度设定为180℃；制备得到的高导热碳纤维杆截面为圆形、直径为0.5mm。
进一步，步骤二中所述的树脂材料包括：环氧树脂、双马树脂；纳米石墨烯质量分数为树脂总量的6％；裁剪尺寸为200mm×200mm。
进一步，步骤五中植入碳纤维增强树脂基复合材料层合板中的高导碳纤维杆间距为5mm×5mm、深度为9mm。
进一步，步骤六中所述固化参数为180℃、2h。
本发明提供的一种提高碳纤维增强树脂基复合材料导热性能的方法，其增强原理如下：由于碳纤维导热性能具有方向性，其轴向导热率比径向导热率高得多，因此碳纤维增强树脂基层合板在厚度方向导热率主要由树脂决定，导热率很低，而高导热碳纤维复合材料由于在厚度方向植入高导热碳纤维杆，碳纤维杆轴向与复合材料厚度方向一致，很大程度上提高了层合板厚度方向的导热性。
本发明提供的一种提高碳纤维增强树脂基复合材料导热性能的方法，其特点在于可通过设计高导热碳纤维杆的截面尺寸、间距、数量等参数，得到预期的导热率，即导热率具有可设计性。
本发明提供的一种提高碳纤维增强树脂基复合材料导热性能的方法，其特点在于复合材料树脂基体中含有纳米石墨烯导热填料，以提高复合材料本身的导热性能。
本发明提供的一种提高碳纤维增强树脂基复合材料导热性能的方法，其特点在于也可采用高导热碳纤维线代替所述的碳纤维杆，将高导热碳纤维线采用缝合方式，沿着复合材料厚度方向缝入，以提高复合材料厚度方向的导热性能。
附图说明
图1为未采用碳纤维杆增强碳纤维复合材料截面示意图。
图2为本发明碳纤维杆增强碳纤维复合材料横截面示意图。
图中标号名称：1、横向纤维，2、树脂，3、纵向纤维，4、碳纤维杆。
具体实施方式
下面结合图1、2对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1所示，为未采用碳纤维杆增强碳纤维复合材料截面示意图。
如图2所示，一种碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的结构，在碳纤维增强树脂基复合材料2的厚度方向植入高导热碳纤维杆4，以提高复合材料厚度方向的导热性能。厚度方向是指同时垂直于碳纤维增强树脂基复合材料2的横向纤维1方向与纵向纤维3方向。
实施例2：
如图2所示，一种碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的结构，在碳纤维增强树脂基复合材料2的厚度方向植入金属材料制成的金属杆4，以提高复合材料厚度方向的导热性能。所述金属材料包括铝、钢、钛。厚度方向是指同时垂直于碳纤维增强树脂基复合材料2的横向纤维1方向与纵向纤维3方向。
实施例3：
一种碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的方法，过程如下：
步骤一：以连续的3K导热碳纤维和环氧树脂(FW125)为原料，加入固化剂，通过拉挤设备(固化温度设定为180℃)，制备截面为圆形、直径为0.5mm的高导热碳纤维杆4；
步骤二：在树脂中加入导热填料纳米石墨烯(纳米石墨烯质量分数为树脂总量的6％)，制备碳纤维增强树脂基复合材料预浸料，并裁剪成一定数量200mm×200mm尺寸；
步骤三：在专用模具上，按照设计的铺层顺序[0°/90°]10s铺覆碳纤维增强复合材料层合板；
步骤四：设计碳纤维杆间距为5mm×5mm、深度为9mm，采用自动植入设备将碳纤维杆4植入到泡沫中(5mm)；
步骤五：将泡沫上的导热碳纤维杆采用热压或超声垂直植入步骤三种得到的碳纤维增强树脂基复合材料层合板中；
步骤六：在热压罐中使碳纤维杆增强树脂基复合材料结构固化，固化参数为180℃、2h，最终测得层合板厚度方向导热性能提高为原来的125.52％。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的结构，其特征在于：在碳纤维增强树脂基复合材料(2)的厚度方向植入高导热碳纤维杆(4)，以提高复合材料厚度方向的导热性能。
2.一种碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的结构，其特征在于：在碳纤维增强树脂基复合材料(2)的厚度方向植入金属材料制成的金属杆(4)，以提高复合材料厚度方向的导热性能。
3.根据权利要求2所述的碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的结构，其特征是，所述金属材料包括铝、钢、钛。
4.根据权利要求1～3任一所述的碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的结构，其特征在于：厚度方向是指同时垂直于碳纤维增强树脂基复合材料(2)的横向纤维(1)方向与纵向纤维(3)方向。
5.一种碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的方法，其特征在于过程如下：
步骤一：以连续的3K导热碳纤维和环氧树脂为原料，加入固化剂，通过拉挤设备固化制备高导热碳纤维杆；
步骤二：在树脂中加入导热填料纳米石墨烯，制备碳纤维增强树脂基复合材料预浸料，并进行裁剪；
步骤三：在专用模具上，按照设计的铺层顺序[0°/90°]10s铺覆碳纤维增强复合材料层合板；
步骤四：采用自动植入设备将高导碳纤维杆植入到泡沫中；
步骤五：将泡沫中的高导热碳纤维杆采用热压或超声垂直植入步骤三中得到的碳纤维增强树脂基复合材料层合板中；
步骤六：在热压罐中使碳纤维杆增强树脂基复合材料结构固化。
6.根据权利要求5所述的碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的方法，其特征是，步骤一中所述环氧树脂与固化剂的质量比为1:1.44；固化温度设定为180℃；制备得到的高导热碳纤维杆截面为圆形、直径为0.5mm。
7.根据权利要求5所述的碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的方法，其特征是，步骤二中所述的树脂材料包括：环氧树脂、双马树脂；纳米石墨烯质量分数为树脂总量的6％；裁剪尺寸为200mm×200mm。
8.根据权利要求5所述的碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的方法，其特征是，步骤五中植入碳纤维增强树脂基复合材料层合板中的高导碳纤维杆间距为5mm×5mm、深度为9mm。
9.根据权利要求5所述的碳纤维杆增强树脂基复合材料导热性能的方法，其特征是，步骤六中所述固化参数为180℃、2h。
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