CN105859291B - 三维高导热碳基复合材料的制备方法 - Google Patents

三维高导热碳基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三维高导热碳基复合材料的制备方法，首先将二维石墨材料进行高温热压获得内部石墨晶格水平取向的石墨片材，此时的石墨片材沿水平方向具有高导热系数，将其切割为长宽高尺寸相等的石墨小立方块后，石墨小立方块趋于随机取向，经热压重新固结为石墨片材后，材料内部的石墨晶格在三维方向均有取向，因此在三维方向均有高导热系数。一维碳纳米材料的加入能够对复合材料中的石墨小立方块进行交联，进而增强复合材料的力学性能。本发明的基体原料二维石墨材料和一维碳纳米材料易得，材料的切割、复合与热压简单可控，三维高导热碳基复合材料沿平面方向导热系数达到100W/(m·K)，沿厚度方向导热系数达到60W/(m·K)。

Description

三维高导热碳基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种三维高导热碳基复合材料的制备方法，具体地说是一种二维石墨材料和一维碳纳米材料的复合方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展，高效的导热和散热成为热管理领域的关键问题。例如随着大型计算机、笔记本电脑以及许多其他电器装置性能的提升和电子元件集成度的提高，其单位面积电子器件不断提高的发热量使系统产生的热量骤增，如果没有充分的热管理保障，极易导致相关器件提前老化或是损坏。微电子芯片表面温度必须维持在较低的温度下(如硅器件﹤100℃)才能确保其高性能工作，许多电子部件需要在40～60℃的温度下才能正常工作，这对导热材料提出了越来越高的要求。传统的金属导热材料(如铝、铜等)由于存在密度较大、比热导率(热导率与材料体积密度之比)较低、热膨胀系数较高、易氧化等局限性，已很难满足目前日益增长的散热需求。碳材料具有较低的密度、低热膨胀系数、优异的机械性能和较高的热导率，是近年来最具发展前景的一类导热材料，因而在能源、通讯、电子等领域具有广阔的应用前景。
天然鳞片石墨、膨胀石墨和剥离石墨等二维石墨材料由于具有规整大块的石墨化壁层，声子传导的阻碍较少，导热效率很高，因而利用二维石墨材料制备碳基高导热材料成为人们的研究重点，也出现类似专利的授权或公开。中华人民共和国国家知识产权局公开号为CN101538036B发明专利公开了热压鳞片石墨制备导热板的技术，公开号为CN102175089B发明专利公开了压延膨胀石墨制备石墨散热纸技术，公开号为CN103803532A的发明专利公开了利用剥离石墨制备导热石墨膜技术。
以上所述的发明专利仅仅披露了传统的石墨材料制备方法和压制工艺，只获得了导热各向异性的石墨导热材料。对于石墨片层，碳原子的晶格震动是材料导热的基础，因此石墨材料中声子传递只能沿着石墨晶面进行高速传导，而对于石墨晶面层间由于距离过远，严重影响声子的传导。在经过石墨压制工艺处理后，石墨晶面在压力作用下沿平面方向取向，因而在石墨导热片中只有在沿平面方向上具有高导热率(大于100W/(m·K))，而沿厚度方向导热率很低，不到10W/(m·K)(Zhi-Hai Feng,Tong-Qi Li,Zi-Jun Hu,Gao-WenZhao,Jun-Shan Wang,Bo-Yun Huang,Low cost preparation of high thermalconductivity carbon blocks with ultra-high anisotropy from a commercialgraphite paper,Carbon,2012,50(10):3947–3948.)。中国的专利申请CN100368342C、CN103539111A等公布的石墨导热板的沿厚度方向导热率都在10W/(m·K)以下。因此，现有已公开的发明专利所获得的沿厚度方向导热系数远不能满足大型计算机、高集成电子器件等对导热材料导热能力的要求，在碳材料已有优势基础上开发一种三维高导热碳基复合材料显得尤为重要。
发明内容
本发明针对现有石墨材料沿厚度方向导热率过低的缺陷，提供一种沿平面和厚度方向同时具有高导热性能的三维高导热碳基复合材料及其制备方法，其沿平面和厚度方向导热系数分别达到100W/(m·K)和60W/(m·K)。
本发明采用以下技术方案：
一种三维高导热碳基复合材料的制备方法，步骤如下：
1)将二维石墨材料与沥青在溶剂中搅拌分散，烘干后获得二维石墨材料与沥青的均匀混合物料；
2)将上述混合物料预压成型，将胚体置于石墨模具中，随后将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在600～1800℃，热压压力为5～50MPa，保温保压1～4小时，降至室温后获得石墨片；
3)将上述石墨片切割成长宽高尺寸相等的石墨小立方块，将上述石墨小立方块与一维碳纳米材料和沥青在溶剂中搅拌分散，烘干后获得二维石墨材料、一维碳纳米材料与沥青的均匀混合物料；
4)将上述二维石墨材料、一维碳纳米材料与沥青的均匀混合物料预压成型，然后将胚体置于石墨模具中，将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1200～1800℃，热压压力为5～50MPa，保温保压1～4小时，降至室温后获得三维高导热碳基复合材料。
所述的二维石墨材料为天然鳞片石墨、膨胀石墨或剥离石墨中的任一种。
所述的一维碳纳米材料是碳纳米管、碳纳米纤维等一维碳纳米材料中的任一种。
所述的溶剂为甲苯、氯仿、石油醚、四氯化碳、喹啉或吡啶中的任一种。
所述的二维石墨材料与沥青按质量比1～6:1。
所述的预压成型压力为10～100MPa。
所述的石墨小立方块、一维碳纳米材料和沥青的质量百分含量分别为40～80％、1～10％和10～50％。
具体说明如下：
(1)首先将二维石墨材料进行高温热压获得内部石墨晶格水平取向的石墨片材，此时的石墨片材沿水平方向具有高导热系数，将其切割为长宽高尺寸相等的石墨小立方块后，石墨小立方块趋于随机取向，经热压重新固结为石墨片材后，材料内部的石墨晶格在三维方向均有取向，因此在三维方向均有高导热系数。
(2)一维碳纳米材料的加入能够对复合材料中的石墨小立方块进行交联，进而增强复合材料的力学性能。
通过以上步骤的二维石墨材料和一维碳纳米材料的复合及热压成型，实现了具有高导热性能的二维石墨材料与具有力学增强性能的一维碳纳米材料的复合，复合材料中石墨晶格的三维取向使得复合材料沿平面和厚度方向导热系数分别达到100W/(m·K)和60W/(m·K)。
本发明的有益效果：本发明的基体原料二维石墨材料和一维碳纳米材料易得，材料的切割、复合与热压简单可控，可获得具有三维高导热系数的碳基复合材料，其三维导热能力远远优于传统二维石墨复合材料。
附图说明：
图1为本发明的三维高导热碳基复合材料的制备微观示意图；
图2为二维石墨材料的片层结构。
具体实施方式
本发明实施例优选下述过程，当不是唯一选择。
一种三维高导热碳基复合材料的制备方法，如图1所示，步骤如下：
1)将二维石墨材料与沥青按质量比1～6:1在溶剂中搅拌分散，烘干后获得二维石墨材料与沥青的均匀混合物料；
所述的二维石墨材料为天然鳞片石墨、膨胀石墨或剥离石墨中的任一种；
所述的溶剂为甲苯、氯仿、石油醚、四氯化碳、喹啉或吡啶中的任一种；
2)将上述混合物料在10～100MPa压力下预压成型，将胚体置于石墨模具中，随后将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在600～1800℃，热压压力为5～50MPa，保温保压1～4小时，降至室温后获得石墨片，如图2所示；
3)将上述石墨片切割成长宽高尺寸相等的石墨小立方块，将上述石墨小立方块与一维碳纳米材料和沥青在溶剂中搅拌分散，烘干后获得二维石墨材料、一维碳纳米材料与沥青的均匀混合物料；
所述石墨小立方块、一维碳纳米材料和沥青的质量百分含量分别为40～80％、1～10％、10～50％；
所述一维碳纳米材料可以是碳纳米管、碳纳米纤维等一维碳纳米材料；
所述的溶剂为甲苯、氯仿、石油醚、四氯化碳、喹啉或吡啶中的任一种；
4)将上述二维石墨材料、一维碳纳米材料与沥青的均匀混合物料在10～100MPa压力下预压成型，然后将胚体置于石墨模具中，将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1200～1800℃，热压压力为5～50MPa，保温保压1～4小时，降至室温后获得三维高导热碳基复合材料。
下面给出本发明的6个实施例,是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实施例1
将天然鳞片石墨与沥青按质量比1：1在甲苯中搅拌分散，烘干后获得天然鳞片石墨与沥青的均匀混合物料；将上述混合物料在10MPa压力下预压成型，然后将胚体置于石墨模具中，将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在600℃，热压压力为5MPa，保温保压1小时，降至室温后获得石墨片；将上述石墨片切割成长宽高均为3mm的石墨小立方块，将上述石墨小立方块(4g)、碳纳米管(1g)和沥青(5g)在甲苯中搅拌分散，烘干后获得天然鳞片石墨、碳纳米管与沥青的均匀混合物料，将其在10MPa压力下预压成型，然后将胚体置于石墨模具中，将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1200℃，热压压力为50MPa，保温保压4小时，降至室温后获得三维高导热碳基复合材料。测试沿平面方向导热率为130W/(m·K)，沿厚度方向导热率为80W/(m·K)。
实施例2
将膨胀石墨与沥青按质量比6：1在氯仿中搅拌分散，烘干后获得膨胀石墨与沥青的均匀混合物料；将上述混合物料在100MPa压力下预压成型，然后将胚体置于石墨模具中，将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1800℃，热压压力为50MPa，保温保压4小时，降至室温后获得石墨片；将上述石墨片切割成长宽高均为4mm的石墨小立方块，将上述石墨小立方块(8g)、碳纳米纤维(1g)和沥青(1g)在氯仿中搅拌分散，烘干后获得膨胀石墨、碳纳米纤维与沥青的均匀混合物料，将其在100MPa压力下预压成型，然后将胚体置于石墨模具中，将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1800℃，热压压力为5MPa，保温保压1小时，降至室温后获得三维高导热碳基复合材料。测试沿平面方向导热率为160W/(m·K)，沿厚度方向导热率为60W/(m·K)。
实施例3
将剥离石墨与沥青按质量比5：1在石油醚中搅拌分散，烘干后获得剥离石墨与沥青的均匀混合物料；将上述混合物料在50MPa压力下预压成型，然后将胚体置于石墨模具中，将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1200℃，热压压力为25MPa，保温保压2小时，降至室温后获得石墨片；将上述石墨片切割成长宽高均为2mm的石墨小立方块，将上述石墨小立方块(5g)、碳纳米纤维(0.1g)和沥青(4.9g)在石油醚中搅拌分散，烘干后获得剥离石墨、碳纳米纤维与沥青的均匀混合物料，将其在50MPa压力下预压成型，然后将胚体置于石墨模具中，将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1600℃，热压压力为25MPa，保温保压2小时，降至室温后获得三维高导热碳基复合材料。测试沿平面方向导热率为160W/(m·K)，沿厚度方向导热率为75W/(m·K)。
实施例4
将剥离石墨与沥青按质量比5：1在四氯化碳中搅拌分散，烘干后获得剥离石墨与沥青的均匀混合物料；将上述混合物料在50MPa压力下预压成型，然后将胚体置于石墨模具中，将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1800℃，热压压力为25MPa，保温保压2小时，降至室温后获得石墨片；将上述石墨片切割成长宽高均为5mm的石墨小立方块，将上述石墨小立方块(5g)、碳纳米纤维(0.5g)和沥青(4.5g)在四氯化碳中搅拌分散，烘干后获得剥离石墨、碳纳米纤维与沥青的均匀混合物料，将其在50MPa压力下预压成型，然后将胚体置于石墨模具中，将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1800℃，热压压力为25MPa，保温保压2小时，降至室温后获得三维高导热碳基复合材料。测试沿平面方向导热率为180W/(m·K)，沿厚度方向导热率为80W/(m·K)。
实施例5
将剥离石墨与沥青按质量比5：1在喹啉中搅拌分散，烘干后获得剥离石墨与沥青的均匀混合物料；将上述混合物料在40MPa压力下预压成型，然后将胚体置于石墨模具中，将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1200℃，热压压力为25MPa，保温保压2小时，降至室温后获得石墨片；将上述石墨片切割成长宽高均为6mm的石墨小立方块，将上述石墨小立方块(5g)、碳纳米纤维(0.5g)和沥青(4.5g)在喹啉中搅拌分散，烘干后获得剥离石墨、碳纳米纤维与沥青的均匀混合物料，将其在50MPa压力下预压成型，然后将胚体置于石墨模具中，将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1800℃，热压压力为25MPa，保温保压2小时，降至室温后获得三维高导热碳基复合材料。测试沿平面方向导热率为190W/(m·K)，沿厚度方向导热率为60W/(m·K)。
实施例6
将天然鳞片石墨与沥青按质量比1：1在吡啶中搅拌分散，烘干后获得天然鳞片石墨与沥青的均匀混合物料；将上述混合物料在10MPa压力下预压成型，然后将胚体置于石墨模具中，将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1800℃，热压压力为50MPa，保温保压4小时，降至室温后获得石墨片；将上述石墨片切割成长宽高均为3mm的石墨小立方块，将上述石墨小立方块(4g)、碳纳米管(1g)和沥青(5g)在吡啶中搅拌分散，烘干后获得天然鳞片石墨、碳纳米管与沥青的均匀混合物料，将其在10MPa压力下预压成型，然后将胚体置于石墨模具中，将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1200℃，热压压力为10MPa，保温保压4小时，降至室温后获得三维高导热碳基复合材料。测试沿平面方向导热率为100W/(m·K)，沿厚度方向导热率为100W/(m·K)。

Claims (5)

1.一种三维高导热碳基复合材料的制备方法，步骤如下：
1)将二维石墨材料与沥青按质量比1～6:1在溶剂中搅拌分散，烘干后获得二维石墨材料与沥青的均匀混合物料；
2)将上述混合物料预压成型，将胚体置于石墨模具中，随后将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在600～1800℃，热压压力为5～50MPa，保温保压1～4小时，降至室温后获得石墨片；
3)将上述石墨片切割成长宽高尺寸相等的石墨小立方块，将上述石墨小立方块与一维碳纳米材料和沥青在溶剂中搅拌分散，烘干后获得二维石墨材料、一维碳纳米材料与沥青的均匀混合物料，所述的石墨小立方块、一维碳纳米材料和沥青的质量百分含量分别为40～80％、1～10％和10～50％；
4)将上述二维石墨材料、一维碳纳米材料与沥青的均匀混合物料预压成型，然后将胚体置于石墨模具中，将其一并置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1200～1800℃，热压压力为5～50MPa，保温保压1～4小时，降至室温后获得三维高导热碳基复合材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的二维石墨材料为天然鳞片石墨、膨胀石墨或剥离石墨中的任一种。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的一维碳纳米材料是碳纳米管、碳纳米纤维中的任一种。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的溶剂为甲苯、氯仿、石油醚、四氯化碳、喹啉或吡啶中的任一种。
5.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的预压成型压力为10～100MPa。
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