CN108250574A - 一种低膨胀性高导热炭复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低膨胀性高导热炭复合材料的制备方法，属于炭纤维材料技术领域。本发明结晶氯化铝、铝粉、氧化钇和醋酸为原料，采用用溶胶—凝胶法制备得改性涂覆层，将其包覆至聚酰亚胺材料表面后，经煅烧处理，其内部聚酰亚胺炭化形成炭纤维材料，外表包覆材料则通过高温煅烧形成包覆在碳纤维表面的钇铝石榴石包覆层，由于钇铝石榴石可有效抑制炭纤维材料在高温环境下成型时发生开裂的现象，特别是可在其表面形成均匀致密的微观结构，通过钇铝石榴石晶粒分布，在高温烧结过程中在一定程度上阻碍炭纤维材料体积发生膨胀导致开裂，同时有效在其表面形成保护膜，在阻止其体积膨胀的同时，使其有效形成致密结构，降低材料膨胀性能。

Description

一种低膨胀性高导热炭复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种低膨胀性高导热炭复合材料的制备方法，属于炭纤维材料技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展，导热材料开始应用于各行各业，导热材料的重要性也被人们越来越重视。伴随着信息时代的到来，电子元器件的发展，人们对导热材料的要求也越来越苛刻。金属等导热材料加工性能差，耐腐蚀性能差，而且对于绝缘方面更是无法满足，这就需要寻找新的导热材料来代替。高分子材料由于其优异的综合性能在导热领域中开始逐渐被研究。高分子材料具有优异的电绝缘性、耐腐蚀性和易加工成型性，在导热领域发挥着重要的角色。但是高分子材料本身的导热率很低，这一点阻碍了其在导热领域的发展。为了提高高分子材料的导热率，人们研究发现，通过往高分子材料当中填充高导热材料，可以使其导热率得到很大提升。
科技的发展使军用及民用电子设备日趋小型化，轻量化，结构紧凑化，运行高效化，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提出了越来越高的要求，质量轻、导热率高的材料越来越受到重视。中间相沥青基石墨纤维具有高度的择优取向和较少的晶格缺陷，因此有很好的传热和导电性能，热导率达到1120W/(m·K)。炭材料具有超高的热导率、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。是近年来最具有发展前景的一类散热材料。在航空航天，电子，化工，建筑等行业有着极其广泛的发展前景。高性能石墨纤维是炭纤维家族中的一个重要品种，在国防建设和国民经济中有着广泛的用途。但是现有炭材料在使用过程中，长时间导热处理使其易发生膨胀和体积稳定性能变化的问题，所以制备一种低膨胀性高导热炭复合材料很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对导热材料在使用过程中，长时间导热处理使其易发生膨胀和体积稳定性能变化的问题，提供了一种低膨胀性高导热炭复合材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
（1）按质量比1：5，将聚酰亚胺树脂添加至N,N-二甲基乙酰胺中，得混合液并搅拌混合，滴加N,N-二甲基乙酰胺稀释处理，得稀释液；
（2）按重量份数计，分别称量45～50份去离子水、10～15份氯化铝、3～5份200目金属铝粉和1～2份氧化钇置于烧杯中，水浴加热，静置冷却至室温并收集得凝胶液，旋转蒸发，得浓缩凝胶液；
（3）按体积比1:1，将浓缩凝胶液与稀释液搅拌混合并置于静电纺丝装置中，静电纺丝处理并收集纺丝纤维，将纺丝纤维置于室温下静置固化，收集得固化纤维并置于马弗炉中，升温处理并通氮气排除空气，在氮气气氛下保温炭化，得改性纤维材料；
（4）按质量比1:2，将碳纤维与聚丙烯粉末搅拌混合并置于模具中，将模具加热，随后抽真空处理，保温熔融后静置冷却至室温，得混合材料并置于平板硫化机中，压制成型，静置冷却至室温，即可制备得一种低膨胀性高导热炭复合材料。
步骤（1）所述的稀释处理为滴加N,N-二甲基乙酰胺至混合液固含量为45％。
步骤（2）所述的旋转蒸发温度为55～65℃。
步骤（3）所述的静电纺丝处理为在正负极电压为30kV，接受距离为15～20cm，控制喷头直径为0.62mm，静电纺丝并收集纺丝纤维。
步骤（4）所述的压制成型条件为在165～170℃、5～10MPa下压制成型。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明结晶氯化铝、铝粉、氧化钇和醋酸为原料，采用用溶胶—凝胶法制备得改性涂覆层，将其包覆至聚酰亚胺材料表面后，经煅烧处理，其内部聚酰亚胺炭化形成炭纤维材料，外表包覆材料则通过高温煅烧形成包覆在碳纤维表面的钇铝石榴石包覆层，由于钇铝石榴石可有效抑制炭纤维材料在高温环境下成型时发生开裂的现象，特别是可在其表面形成均匀致密的微观结构，通过钇铝石榴石晶粒分布，在高温烧结过程中在一定程度上阻碍炭纤维材料体积发生膨胀导致开裂，同时有效在其表面形成保护膜，在阻止其体积膨胀的同时，使其有效形成致密结构，降低材料膨胀性能；
（2）本发明通过钇铝石榴石包覆改性碳纤维材料，通过碳纤维材料作为导热材料的主体，有效导热并改性材料内部导热性能的同时，通过碳纤维和聚丙烯材料熔融后滋生表面张力的作用，融化的聚丙烯树脂倾向在纤维搭接和夹缝处富集，使炭纤维与聚丙烯材料牢固粘接在一块，形成网络节点，使炭纤维网络增强体才能成为一个稳固的整体，有效提高材料的力学性能。
具体实施方式
按质量比1：5，将聚酰亚胺树脂添加至N,N-二甲基乙酰胺中，得混合液并在45～50℃下搅拌混合25～30min后，再滴加N,N-二甲基乙酰胺至混合液固含量为45％，得稀释液；按重量份数计，分别称量45～50份去离子水、10～15份氯化铝、3～5份200目金属铝粉和1～2份氧化钇置于烧杯中，搅拌混合并置于75～80℃下水浴加热25～30min，静置冷却至室温并收集得凝胶液，将凝胶液置于55～65℃下旋转蒸发至凝胶液体积的1/5后，得浓缩凝胶液，按体积比1:1，将浓缩凝胶液与稀释液搅拌混合并置于静电纺丝装置中，控制正负极电压为30kV，接受距离为15～20cm，控制喷头直径为0.62mm，静电纺丝并收集纺丝纤维，将纺丝纤维置于室温下静置固化20～24h后，收集得固化纤维并置于马弗炉中，按5℃/min升温至450～500℃，通氮气排除空气，在氮气气氛下保温炭化2～3h后，得改性纤维材料；按质量比1:2，将碳纤维与粒径为250目聚丙烯粉末搅拌混合并置于模具中，将模具置于25～30MPa、175～180℃下加热熔融，随后抽真空至150Pa，保温熔融后静置冷却至室温，得混合材料并置于平板硫化机中，在165～170℃、5～10MPa下压制成型，静置冷却至室温，即可制备得一种低膨胀性高导热炭复合材料。
实例1
按质量比1：5，将聚酰亚胺树脂添加至N,N-二甲基乙酰胺中，得混合液并在45℃下搅拌混合25min后，再滴加N,N-二甲基乙酰胺至混合液固含量为45％，得稀释液；按重量份数计，分别称量45份去离子水、10份氯化铝、3份200目金属铝粉和1份氧化钇置于烧杯中，搅拌混合并置于75℃下水浴加热25min，静置冷却至室温并收集得凝胶液，将凝胶液置于55℃下旋转蒸发至凝胶液体积的1/5后，得浓缩凝胶液，按体积比1:1，将浓缩凝胶液与稀释液搅拌混合并置于静电纺丝装置中，控制正负极电压为30kV，接受距离为15cm，控制喷头直径为0.62mm，静电纺丝并收集纺丝纤维，将纺丝纤维置于室温下静置固化20h后，收集得固化纤维并置于马弗炉中，按5℃/min升温至450℃，通氮气排除空气，在氮气气氛下保温炭化2h后，得改性纤维材料；按质量比1:2，将碳纤维与粒径为250目聚丙烯粉末搅拌混合并置于模具中，将模具置于25MPa、175℃下加热熔融，随后抽真空至150Pa，保温熔融后静置冷却至室温，得混合材料并置于平板硫化机中，在165℃、5MPa下压制成型，静置冷却至室温，即可制备得一种低膨胀性高导热炭复合材料。
实例2
按质量比1：5，将聚酰亚胺树脂添加至N,N-二甲基乙酰胺中，得混合液并在47℃下搅拌混合27min后，再滴加N,N-二甲基乙酰胺至混合液固含量为45％，得稀释液；按重量份数计，分别称量47份去离子水、12份氯化铝、4份200目金属铝粉和2份氧化钇置于烧杯中，搅拌混合并置于77℃下水浴加热27min，静置冷却至室温并收集得凝胶液，将凝胶液置于60℃下旋转蒸发至凝胶液体积的1/5后，得浓缩凝胶液，按体积比1:1，将浓缩凝胶液与稀释液搅拌混合并置于静电纺丝装置中，控制正负极电压为30kV，接受距离为17cm，控制喷头直径为0.62mm，静电纺丝并收集纺丝纤维，将纺丝纤维置于室温下静置固化22h后，收集得固化纤维并置于马弗炉中，按5℃/min升温至475℃，通氮气排除空气，在氮气气氛下保温炭化2h后，得改性纤维材料；按质量比1:2，将碳纤维与粒径为250目聚丙烯粉末搅拌混合并置于模具中，将模具置于27MPa、177℃下加热熔融，随后抽真空至150Pa，保温熔融后静置冷却至室温，得混合材料并置于平板硫化机中，在167℃、7MPa下压制成型，静置冷却至室温，即可制备得一种低膨胀性高导热炭复合材料。
实例3
按质量比1：5，将聚酰亚胺树脂添加至N,N-二甲基乙酰胺中，得混合液并在50℃下搅拌混合30min后，再滴加N,N-二甲基乙酰胺至混合液固含量为45％，得稀释液；按重量份数计，分别称量50份去离子水、15份氯化铝、5份200目金属铝粉和2份氧化钇置于烧杯中，搅拌混合并置于80℃下水浴加热30min，静置冷却至室温并收集得凝胶液，将凝胶液置于65℃下旋转蒸发至凝胶液体积的1/5后，得浓缩凝胶液，按体积比1:1，将浓缩凝胶液与稀释液搅拌混合并置于静电纺丝装置中，控制正负极电压为30kV，接受距离为20cm，控制喷头直径为0.62mm，静电纺丝并收集纺丝纤维，将纺丝纤维置于室温下静置固化24h后，收集得固化纤维并置于马弗炉中，按5℃/min升温至500℃，通氮气排除空气，在氮气气氛下保温炭化3h后，得改性纤维材料；按质量比1:2，将碳纤维与粒径为250目聚丙烯粉末搅拌混合并置于模具中，将模具置于30MPa、180℃下加热熔融，随后抽真空至150Pa，保温熔融后静置冷却至室温，得混合材料并置于平板硫化机中，在170℃、10MPa下压制成型，静置冷却至室温，即可制备得一种低膨胀性高导热炭复合材料。
将本发明制备的实例1，2，3进行性能测试，具体测试结果如下表表1所示：
表1 性能对照表
由上表可知，本发明制备的高导热炭材料具有优异的力学性能和导热强度。

Claims (5)

1.一种低膨胀性高导热炭复合材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）按质量比1：5，将聚酰亚胺树脂添加至N,N-二甲基乙酰胺中，得混合液并搅拌混合，滴加N,N-二甲基乙酰胺稀释处理，得稀释液；
（2）按重量份数计，分别称量45～50份去离子水、10～15份氯化铝、3～5份200目金属铝粉和1～2份氧化钇置于烧杯中，水浴加热，静置冷却至室温并收集得凝胶液，旋转蒸发，得浓缩凝胶液；
（3）按体积比1:1，将浓缩凝胶液与稀释液搅拌混合并置于静电纺丝装置中，静电纺丝处理并收集纺丝纤维，将纺丝纤维置于室温下静置固化，收集得固化纤维并置于马弗炉中，升温处理并通氮气排除空气，在氮气气氛下保温炭化，得改性纤维材料；
（4）按质量比1:2，将碳纤维与聚丙烯粉末搅拌混合并置于模具中，将模具加热，随后抽真空处理，保温熔融后静置冷却至室温，得混合材料并置于平板硫化机中，压制成型，静置冷却至室温，即可制备得一种低膨胀性高导热炭复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种低膨胀性高导热炭复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的稀释处理为滴加N,N-二甲基乙酰胺至混合液固含量为45％。
3.根据权利要求1所述的一种低膨胀性高导热炭复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的旋转蒸发温度为55～65℃。
4.根据权利要求1所述的一种低膨胀性高导热炭复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的静电纺丝处理为在正负极电压为30kV，接受距离为15～20cm，控制喷头直径为0.62mm，静电纺丝并收集纺丝纤维。
5.根据权利要求1所述的一种低膨胀性高导热炭复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的压制成型条件为在165～170℃、5～10MPa下压制成型。
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