CN107984838A - 一种耐冲击导热铝合金-碳纤维-石墨烯层合板的制备方法 - Google Patents

一种耐冲击导热铝合金-碳纤维-石墨烯层合板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐冲击导热铝合金‑碳纤维‑石墨烯层合板的制备方法，包括以下步骤：1)、对铝合金坯料内外两表面进行不同表面处理，对石墨烯导热膜进行表面处理；2)、将经过表面处理后的铝合金坯料、环氧树脂胶膜及石墨烯导热膜进行多层铺设；3)、将铺设完成的层合板置于硫化机中，采用预设加热制度同时进行环氧树脂固化和铝合金时效成形，实现铝合金‑碳纤维‑石墨烯层合板的制备。本发明首次提出了一种适合于量产的电子产品用铝合金‑碳纤维‑石墨烯层合板的制备方案，其制备过程简单，制备成品性能稳定，层间性能较好，不易分层，适合在电子元器件中长时间应用。

Description

一种耐冲击导热铝合金-碳纤维-石墨烯层合板的制备方法
技术领域
本发明涉及一种电子领域，特别涉及一种铝合金-碳纤维-石墨烯层合板的制备方法，属于复合材料的制备领域。
背景技术
手机，电脑等电子产品在频繁的使用或玩游戏的情况下，手内部发热会变得非常严重，尤其是芯片、电池、显卡等。发热太高一方面会导致握起来手感不适，另一方面手机的性能也可能会受到影响，甚至是重启或死机。因此为了能够让电子产品热量更快散出去，不少手机厂商都会给手机贴上石墨散热片，也就是我们常说的石墨散热。
导热石墨片也称散热片，它是一种高导热散热材料，化学成分主要是单一的碳(C)元素,是一种自然元素矿物。薄膜高分子化合物可以通过化学方法高温高压下得到石墨化薄膜，虽然碳元素是非金属元素，但是却有金属材料的导电，导热性能，还具有象有机塑料一样的可塑性，并且还有特殊的热性能，化学稳定性，润滑和能涂敷在固体表面的等等一些良好的工艺性能，因此导热石墨在中众多领域都有被广泛的应用，包括了我们航空、国防、照片以及我们身边的电子产品。
石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数，单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK，不仅优于碳纳米管、石墨导热膜，更是远高于金属中导热系数最高的银、铜、金、铝等，因此石墨烯作为辅助散热的导热塑料或者膜片具有巨大的应用前景。石墨烯导热塑料的开发，可以为各种散热需求提供性能更加优异的新型的散热产品，例如各种电子设备(如LED灯)的外壳散热，目前国外已经有厂家开发出了成型的导热塑料并进入市场。
另一方面，石墨烯制成的散热膜散热性能会大大优于石墨片，实测的热导率可达到1000W/mK以上，同时膜片具有良好的柔韧性易于加工。而散热薄膜是计算机、手机制造中的关键材料，比如苹果手机目前用的散热膜是用石墨片制成的，因此高性能的石墨烯散热薄膜是如智能手机、平板电脑等高性能、超薄电子产品的理想散热材料。
在现今应用中，石墨烯导热膜直接铺贴在手机背板、电脑盖板、某些厂商尝试将导热膜集成在电子器件背板中，但存在以下问题，(1)在直接铺贴在电子器件金属后盖的石墨烯导热膜，使得手机的一体性不足，为后续手机的防水防尘性能等的开发增加了难度，(2)使用时间较长，石墨烯膜贴的胶黏性也会下降。(3)普通铝合金制得电子元件背板，由于铝合金强度较低，容易发生弯曲，不能抵御一定的冲击，耐疲劳性能较差。
层合板常见于复合材料领域，是由多个单层板或者预浸料粘合在一起组成整体的结构板，通常采用预浸料多层铺设再固化或者单层通过胶黏剂板粘接在一起，采用物理结合的方式，形成面向不同需求的不同板材。
制成铝合金-碳纤维-石墨烯层合板的板材则存在以下问题：(1)层间性能较差，在进行后续加工处理时层合板容易分层，不稳定。(2)铝合金与导热膜之间存在大量的气泡，严重影响了导热效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述缺陷，提供一种力学性能优良，重量轻、防摔、耐冲击、耐疲劳、稳定、层间性能良好、气泡少且适用于各种电子器件的防摔，耐冲击，导热铝合金-碳纤维-石墨烯层合板制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明的提供了一种耐冲击导热铝合金-碳纤维-石墨烯层合板的制备方法，包括以下步骤：
1)、对铝合金坯料内外两表面进行不同表面处理，对石墨烯导热膜进行表面处理；
2)、将经过表面处理后的铝合金坯料、环氧树脂胶膜及石墨烯导热膜进行多层铺设，铺层顺序为铝合金/碳纤维预浸料/环氧树脂胶膜/石墨烯导热膜/环氧树脂胶膜/碳纤维预浸料/铝合金，即两层铝合金，两层碳纤维预浸料与石墨烯导热膜形成层合结构，环氧树脂胶膜作为胶黏剂，最终形成层合板；
3)、将铺设完成的层合板置于硫化机中，才用预设加热制度将层合板加热至对石墨烯导热膜-环氧树脂膜固化、碳纤维预浸料固化及铝合金时效成形同步发生所需温度，保温保压，同时进行环氧树脂固化和铝合金时效成形，实现铝合金-碳纤维-石墨烯层合板的制备。
所述的制备方法，所述步骤1)中铝合金板内侧和外侧采用不同表面处理方式，外表面采用化学碱液烧蚀处理，扩大散热表面积，增大散热效率；内表面为阳极氧化处理，增大铝合金与环氧树脂胶膜接触面积，改善接触形貌，增大层间强度。
所述的制备方法，所述步骤1)中石墨烯导热膜的表面处理方式为两面喷涂薄液态环氧树脂。
所述的制备方法，所述步骤2)中层合板的铺设结构为2/2/1结构，两层铝合金，两层碳纤维预浸料，中间一层石墨烯导热膜，即铝合金/碳纤维预浸料/环氧树脂胶膜/石墨烯导热膜/环氧树脂胶膜/碳纤维预浸料/铝合金。
所述的制备方法，每层碳纤维预浸料与石墨烯导热膜间另外铺设一层环氧树脂胶膜。
所述的制备方法，所述碳纤维预浸料为单向碳纤维环氧树脂预浸料或编织碳纤维环氧树脂预浸料；碳纤维铺层方向为0°/90°铺层；或者-45°/+45°铺层，0°为平行于铝合金轧制方向，90°为垂直于铝合金轧制方向。
所述的制备方法，所述步骤3)所述用于石墨烯导热膜-环氧树脂固化及铝合金时效成形同步所需温度为140℃-180℃，硫化机压力为0.8-1.2MPa。
所述的制备方法，预设加热制度为：在硫化机中将层合板匀速加热至140℃，常压，保温20min，使层合板中的环氧树脂进行预固化；然后，将层合板的温度升高至180℃，压力为1.0MPa，保温保压130min，使层合板中的环氧树脂与石墨烯导热膜及碳纤维预浸料完全固化,在温度为180℃、压力为1.0MPa的工艺下完成层合板制备，在固化过程中，环氧树脂处于流动状态，同时给定压力，使得层间气泡排除，层合板中的铝合金进行时效强化，保温保压结束后自然降温降压，得到性能良好的铝合金-碳纤维-石墨烯层合板。或者为：在硫化机中将层合板匀速加热至140℃，常压，保温20min，使层合板中的环氧树脂进行预固化；同时，将层合板的温度升高至180℃，压力为0.8MPa，保温保压130min，使层合板中的环氧树脂与石墨烯导热膜及碳纤维预浸料完全固化,在温度为180℃、压力为0.8MPa的工艺下完成层合板制备，在固化过程中，环氧树脂处于流动状态，同时给定压力，使得层间气泡排除，层合板中的铝合金进行时效强化，保温保压结束后自然降温降压，得到性能良好的铝合金-碳纤维-石墨烯层合板；或者为：在硫化机中将层合板匀速加热至140℃，常压，保温20min，使层合板中的环氧树脂进行预固化；同时，将层合板的温度升高至180℃，压力为1.2MP，保温保压130min，使层合板中的环氧树脂与石墨烯导热膜及碳纤维预浸料完全固化,在温度为180℃、压力为1.2MPa的工艺下完成层合板制备，在固化过程中，环氧树脂处于流动状态，同时给定压力，使得层间气泡排除，保温保压结束后自然降温降压，得到性能良好的铝合金-碳纤维-石墨烯层合板。
所述的制备方法，所述铝合金为可热处理强化的2系列、6系列、7系列铝合金。
本发明的有益效果在于：(1)、本发明适用与铝合金-碳纤维-石墨烯层合板的整体制备，其制备性能稳定、导热率高，制备出的层合板能够经受一定的冲击，防摔，疲劳性能大大提升，具有较高的实际应用价值；(2)、本发明首次提出了一种适合于量产的电子产品用铝合金-碳纤维-石墨烯层合板的制备方案，其制备过程简单，制备成品性能稳定，层间性能较好，不易分层，适合在电子元器件中长时间应用。
附图说明
图1为本发明铝合金-碳纤维-石墨烯层合板构件的制备成形方法流程图；
图2为实施例1中的铝合金，编织碳纤维预浸料，石墨烯导热膜，环氧树脂胶膜铺设方法；
图3为实施例1中层合板固化过程中加热加压曲线；
图4为实施例1中层合板裁剪形状；
图5为实施例2中铝合金，单向碳纤维预浸料，石墨烯导热膜，环氧树脂胶膜铺设方法；
图6为实施例2中层合板固化过程加热加压曲线；
图7为实施例2中最后制得的层合板形状；
图8为实施例3中滚弯成形铝合金，单向碳纤维预浸料，石墨烯导热膜，环氧树脂胶膜铺设方法；
图9为实施例3中层合板固化过程加热加压曲线；
图10为实施例3中最后制得的层合板形状。
图11为普通石墨烯层合板(q)与本发明的铝合金-碳纤维-石墨烯层合板在同等能量下进行冲击试验对比。
标注数字说明：
1：铝合金板(可指2系，6系及7系铝合金)；
2：编织碳纤维环氧树脂预浸料；
3：环氧树脂胶膜；
4：石墨烯导热膜；
5:0°/90°铺层的单向碳纤维环氧树脂预浸料(0°指与铝合金轧制方向平行，90°指与铝合金轧制方向垂直)；
6：铝合金轧制方向；
7：-45°/+45°铺层的单向碳纤维预浸料(-45°与+45°都指与铝合金轧制方向所呈角度)
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
第一步、选择500mm×500mm×0.4mm的2024-T3铝合金坯料，并进行内表面磷酸阳极氧化处理，使2024-T3铝合金表面获得与树脂热压复合更为有利的表面形貌，增强层间强度；外表面进行化学碱液烧蚀处理，增大外表面的表面积，从而增加铝合金与空气的接触面积，增加热对流效率，加快散热速率。
第二步、选用并裁剪500mm×500mm×0.125mm的石墨烯导热膜BM1000(碳碳复合材料)；
第三步、选用并裁剪500mm×500mm×0.2mm的编织碳纤维环氧树脂预浸料WP-3011，环氧树脂型号为9B14。
第四步、对于石墨烯导热膜进行喷胶处理，双面喷涂一层薄环氧树脂，树脂厚度大致为0.1mm；
第五步、采用2/2/1层板结构设计，按以下顺序铺设层合板：2024-T3铝合金/编织碳纤维环氧树脂预浸料/环氧树脂胶膜/石墨烯导热膜/环氧树脂胶膜/编织碳纤维环氧树脂预浸料/2024-T3铝合金，每层碳纤维预浸料与石墨烯导热膜间另外铺设70g/m2的环氧树脂胶膜3如图2所示；
第六步、实施层合板制备工艺：如图3所示，在硫化机中将层合板匀速加热至140℃，常压，保温20min，使层合板中的环氧树脂进行预固化；然后，将层合板的温度升高至180℃，压力为1.0MPa，保温保压130min，使层合板中的环氧树脂与石墨烯导热膜及碳纤维预浸料完全固化,在温度为180℃、压力为1.0MPa的工艺下完成层合板制备，在固化过程中，环氧树脂处于流动状态，同时给定压力，使得层间气泡排除，层合板中的2024-T3铝合金进行时效强化，保温保压结束后自然降温降压，得到性能良好的铝合金-碳纤维-石墨烯层合板。
第六步、如图4所示，对成形好的铝合金-碳纤维-石墨烯层合板压进行裁剪，获得最终的需要形状的铝合金-碳纤维-石墨烯层合板构件。
实施例2
第一步、选择600mm×600mm×0.3mm的7075-T4铝合金坯料，并进行内表面磷酸阳极氧化处理，使7075-T4铝合金表面获得与树脂热压复合更为有利的表面形貌，增强层间强度；外表面进行化学碱液烧蚀处理，增大外表面的表面积，从而增加铝合金与空气的接触面积，增加热对流效率，加快散热速率。表面处理后进行线切割，切割成半径为500mm的圆形坯料。
第二步、选用并裁剪半径为500mm厚度为0.125mm的圆形石墨烯导热膜BM1000(碳碳复合材料)；
第三步、选用并裁剪半径为500mm厚度为0.2mm的单向碳纤维环氧树脂预浸料USN20000，环氧树脂型号为9B14。
第四步、对于石墨烯导热膜进行喷胶处理，双面喷涂一层薄环氧树脂，树脂厚度大致为0.1mm；
第五步、采用2/2/1层板结构设计，按如图5所示顺序铺设层合板：7075-T4铝合金/单向碳纤维环氧树脂预浸料/环氧树脂胶膜/石墨烯导热膜/环氧树脂胶膜/单向碳纤维环氧树脂预浸料/7075-T4铝合金，其中碳纤维铺层方向为0°/90°铺层(0°为平行于铝合金轧制方向，90°为垂直于铝合金轧制方向)，每层碳纤维预浸料与石墨烯导热膜间另外铺设70g/m2的环氧树脂胶膜；
第六步、实施层合板制备工艺：在硫化机中将层合板匀速加热至140℃，常压，保温20min，使层合板中的环氧树脂进行预固化；同时，将层合板的温度升高至180℃，压力为0.8MPa，保温保压130min，使层合板中的环氧树脂与石墨烯导热膜及碳纤维预浸料完全固化,在温度为180℃、压力为0.8MPa的工艺下完成层合板制备，如图6。在固化过程中，环氧树脂处于流动状态，同时给定压力，使得层间气泡排除，层合板中的7075-T4铝合金进行时效强化，保温保压结束后自然降温降压，得到如图7所示性能良好的铝合金-碳纤维-石墨烯层合板。
实施例3
第一步、选择1000mm×350mm×0.5mm的6061-T3滚弯成形铝合金坯料，并进行内表面磷酸阳极氧化处理，使6061-T3铝合金表面获得与树脂热压复合更为有利的表面形貌，增强层间强度；外表面进行化学碱液烧蚀处理，增大外表面的表面积，从而增加铝合金与空气的接触面积，增加热对流效率，加快散热速率。
第二步、选用并裁剪1000mm×350mm×0.125mm的石墨烯导热膜BM1000(碳碳复合材料)；
第三步、选用并裁剪1000mm×350mm×0.2mm的单向碳纤维环氧树脂预浸料USN20000，环氧树脂型号为9B14。
第四步、对于石墨烯导热膜进行喷胶处理，双面喷涂一层薄环氧树脂，树脂厚度大致为0.1mm；
第五步、采用2/2/1层板结构设计，按图8所示顺序铺设层合板：6061-T3铝合金/单向碳纤维环氧树脂预浸料/环氧树脂胶膜/石墨烯导热膜/环氧树脂胶膜/单向碳纤维环氧树脂预浸料/6061-T3铝合金，其中碳纤维铺层方向为-45°/+45°铺层(0°为平行于铝合金轧制方向)，每层碳纤维预浸料与石墨烯导热膜间另外铺设70g/m2的环氧树脂胶膜；
第六步、实施层合板制备工艺：在硫化机中将层合板匀速加热至140℃，常压，保温20min，使层合板中的环氧树脂进行预固化；同时，将层合板的温度升高至180℃，压力为1.2MP，保温保压130min，使层合板中的环氧树脂与石墨烯导热膜及碳纤维预浸料完全固化,在温度为180℃、压力为1.2MPa的工艺下完成层合板制备，如图9在固化过程中，环氧树脂处于流动状态，同时给定压力，使得层间气泡排除，保温保压结束后自然降温降压，得到性能良好的铝合金-碳纤维-石墨烯层合板。
第七步、如图10所示，对成形好的铝合金-碳纤维-石墨烯层合板压进行裁剪，获得最终的需要形状的铝合金-碳纤维-石墨烯层合板构件。
如图11所示，将未添加碳纤维预浸料的铝合金-石墨烯层合板(a)与本发明中的铝合金-碳纤维-石墨烯层合板(b)进行同等25J能量下的冲击实验可看出，本发明制备层合板凹坑明显变小且没有被穿透，本发明的层合板抗冲击性能得到明显提升；同时由于碳纤维的加入减轻其重量，属于一种轻质高强材料，具有较高的应用价值。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种耐冲击导热铝合金-碳纤维-石墨烯层合板的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)、对铝合金坯料内外两表面进行不同表面处理，对石墨烯导热膜进行表面处理；
2)、将经过表面处理后的铝合金坯料、环氧树脂胶膜及石墨烯导热膜进行多层铺设，铺层顺序为铝合金/碳纤维预浸料/环氧树脂胶膜/石墨烯导热膜/环氧树脂胶膜/碳纤维预浸料/铝合金，即两层铝合金，两层碳纤维预浸料与石墨烯导热膜形成层合结构，环氧树脂胶膜作为胶黏剂，最终形成层合板；
3)、将铺设完成的层合板置于硫化机中，采用预设加热制度将层合板加热至对石墨烯导热膜-环氧树脂膜固化、碳纤维预浸料固化及铝合金时效成形同步发生所需温度，保温保压，同时进行环氧树脂固化和铝合金时效成形，实现铝合金-碳纤维-石墨烯层合板的制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中铝合金板内侧和外侧采用不同表面处理方式，外表面采用化学碱液烧蚀处理，扩大散热表面积，增大散热效率；内表面为阳极氧化处理，增大铝合金与环氧树脂胶膜接触面积，改善接触形貌，增大层间强度。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中石墨烯导热膜的表面处理方式为两面喷涂薄液态环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中层合板的铺设结构为2/2/1结构，两层铝合金，两层碳纤维预浸料，中间一层石墨烯导热膜，即铝合金/碳纤维预浸料/环氧树脂胶膜/石墨烯导热膜/环氧树脂胶膜/碳纤维预浸料/铝合金。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：每层碳纤维预浸料与石墨烯导热膜间另外铺设一层环氧树脂胶膜。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述碳纤维预浸料为单向碳纤维环氧树脂预浸料或编织碳纤维环氧树脂预浸料；碳纤维铺层方向为0°/90°铺层；或者-45°/+45°铺层，0°为平行于铝合金轧制方向，90°为垂直于铝合金轧制方向。
7.根据权利要求1至6任一所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)所述用于石墨烯导热膜-环氧树脂固化及铝合金时效成形同步所需温度为140℃-180℃，硫化机压力为0.8-1.2MPa。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于:所述铝合金为可热处理强化的2系列、6系列、7系列铝合金。
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