CN109049865A - 一种三维传热通道复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及三维复合材料技术领域，提供了一种三维传热通道复合材料，包括平面层和垂直植入平面层的导热增强体，所述平面层包括层叠设置的预浸料层和导热膜层，所述导热增强体为纤维pin针或金属针；本发明通过在复合材料层间设置导热膜层，构建面内导热通道，通过在复合材料的厚度垂直方向植入导热增强体纤维pin针或金属针，建立厚度方向导热通道，同时提高了复合材料在平面方向和厚度方向的传热性能以及复合材料的层间剪切性能。

Description

一种三维传热通道复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及三维复合材料技术领域，尤其涉及一种三维传热通道复合材料及其制备方法。
背景技术
随着卫星技术的不断发展，星载单机和电子器件功率的大幅提升，对卫星扩热板的散热性能提出了越来越高的要求。高导热性复合材料的研究得到快速发展，其中碳纤维复合材料以其质轻高强、耐腐蚀、低热膨胀系数、导热性可设计性强等优点，逐渐成为制备扩热板的重要材料。但是因为现阶段常用的碳纤维复合材料大都是二维层面结构，在研究不同形态和结构的复合材料时，并不会考虑到其不同位置热导率的差异性，对于传热性能均以面内热导率来表示，对于复合材料厚度方向的热导率并没有过多关注，而复合材料实际上是各向异性材料，其在平面xy平面方向和z垂直厚度方向的热导率并不能等同；采用面内热导率表示复合材料的传热性能存在着准确性和均一性方面的缺陷。
在当前制备立体三维结构的碳纤维复合材料时，一般需要采用树脂基体作为粘结层以保证各组合层的结合性能，但树脂基体普遍存在低导热特性，这样形成的三维复合材料层板的面内和厚度热导率都不能得到提高，难以满足航空领域不断提升的散热需求。如中国专利CN103123952A虽然公开了一种三维高导热石墨复合材料，其通过设置高导热层和粘结树脂层的方式来实现快速的散热性能，但实际上因为粘结树脂层的阻隔，其在厚度方向的热导率并不能得到显著提高。
因此，如何制备一种面内和厚度热导率较高、具有三维传热通路的复合材料层板，成为解决三维复合材料传热性能的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面内和厚度热导率较高的三维传热通道复合材料及其制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种三维传热通道复合材料，包括平面层和垂直植入平面层的导热增强体，所述平面层包括层叠设置的预浸料层和导热膜层，所述导热增强体为纤维pin针或金属针。
优选的，所述导热增强体的植入间距为(0～5]mm。
优选的，所述导热增强体的直径为0.5～2mm，长度为0.1～10cm。
优选的，所述预浸料层中的预浸料包括碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、芳纶纤维预浸料、超高碳分子量聚乙烯纤维预浸料、PBO纤维预浸料和玄武岩纤维预浸料中的一种或多种。
优选的，所述导热膜层包括石墨膜、石墨烯膜和碳纳米管膜的一种或多种。
优选的，所述纤维pin针包括沥青基碳纤维复合材料pin针、PAN基碳纤维复合材料pin针、碳纳米管纤维复合材料pin针和气相生长碳纤维复合材料pin针中的一种或多种。
本发明还提供了上述的三维传热通道复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将预浸料和热处理后的导热膜进行层叠铺层得到平面层；
采用热压处理的方式将导热增强体垂直植入所述平面层中，得到三维传热通道复合材料。
优选的，所述热处理的温度为40～60℃，所述热处理的时间为30～60min。
优选的，所述导热增强体为纤维pin针时，所述纤维pin针的制备方法包括如下步骤：
将树脂、固化剂、稀释剂、促进剂、引发剂混合后加热，得到树脂胶液；
将纤维束浸渍所述树脂胶液后固化，得到纤维pin针前驱体；
将纤维pin针前驱体裁剪成短棒，一端磨成45°尖角，得到纤维pin针。
优选的，所述热压处理的压力为1.5～2.5MPa；
优选的，所述热压处理的温度为120～250℃；
优选的，所述热压处理的时间为1～10h。
本发明提供了一种三维传热通道复合材料，包括平面层和垂直植入平面层的导热增强体，所述平面层包含层叠设置的预浸料层和导热膜层，所述导热增强体为纤维pin针或金属针。本发明通过在复合材料层间设置导热膜层，构建面内导热通道，通过在复合材料的厚度垂直方向植入导热增强体纤维pin针或金属针，建立厚度方向导热通道，利用导热增强体的通道传热性能，同时提高了复合材料在平面层和垂直方向的传热性能,而且复合材料的层间剪切强度因为导热增强体的植入也得到显著提升。实验结果表明，本发明提供的三维传热通道复合材料的面内热导率可达到100～200W/mk，厚度方向热导率可达到2～10W/mk，层间剪切强度可达到40～80MPa。
本发明还提供了上述三维传热通道复合材料的制备方法，操作简便，经济实用。
附图说明
图1为本发明三维传热通道复合材料的结构示意图；
其中，1和2为预浸料层，3为导热膜层，4为导热增强体，5为平面层；
图2为本发明实施例1中的铝板示意图；
图3为实施例1制备的三维传热通道复合材料平面图；
图4为实施例1制备的三维传热通道复合材料横截面图。
具体实施方式
本发明提供了一种三维传热通道复合材料，包括平面层和垂直植入平面层的导热增强体，所述平面层包括层叠设置的预浸料层和导热膜层，所述导热增强体为纤维pin针或金属针。
本发明提供的三维传热通道复合材料的结构示意图如图1所示，包括平面层5和导热增强体4，所述导热增强体4垂直植入平面层5中，所述相邻导热增强体4之间的间距优选为(0～5]mm，更优选为3mm。在本发明中，导热增强体的间距大小对于其厚度方向的热导率存在显著影响，当导热增强体的间距在(0～3]mm时导热增强体时由于过于密集，工艺过程复杂，同时还会影响复合材料的力学性能以及面内导热性能，当导热增强体的间距超过3mm时，其厚度方向的导热性能存在下降趋势，超出5mm后，热导率下降趋势较大，因此本发明优选的(0～5]mm为传热性能最佳的间距选择。
在本发明中，所述平面层5包括层叠设置的预浸料层(1或2)和导热膜层3。
在本发明中，所述预浸料层的尺寸优选为50～200×50～200mm，更优选为100mm×100mm，所述预浸料层的厚度优选为50～200um，更优选为100～130um；在本发明中，所述预浸料层优选为0°的预浸料层1和/或90°的预浸料层2(所述预浸料层1和预浸料层2的角度为相对角度，在铺设时两者平面旋转角度相差90度即可)。在本发明中，所述预浸料层中预浸料优选包括碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、芳纶纤维预浸料、超高碳分子量聚乙烯纤维预浸料、PBO纤维预浸料和玄武岩纤维预浸料中的一种或多。在本发明中，所述预浸料层中预浸料是利用树脂基体浸渍连续纤维或织物增强体，制成的树脂基体与增强体的组合物。本发明对于所述预浸料的制备原料和具体方法没有特殊要求，采用本领域常规技术制备即可。
在本发明中，所述导热膜层的尺寸优选为50～200×50～200mm，更优选为100×100mm，所述导热膜层的厚度优选为20～80um，更优选为30～50um。在本发明中，所述导热膜层的材质优选包括石墨膜(GS)、石墨烯膜(GNS)和碳纳米管膜中的一种或多种；在本发明具体实施例中所述导热膜层优选为石墨膜和/或石墨烯膜，因为石墨膜和石墨烯膜的面内热导率达到1000～2000W/mK，相较于其他材质具有更高的导热性能，能够实现最优的导热效果。
本发明对于所述预浸料层和导热膜层层叠设置的具体方式没有特殊要求，可以以任意方式和层数进行叠加。在本发明中，所述导热膜层在层叠设置时优选为非表面层，这是因为导热膜力学强度较低，在使用过程中若作为表面层容易受到损坏。在本发明中，所述平面层中预浸料层和导热膜层的层数之和优选为2～100层，更优选为5～50层，最优选为10～20层。在本发明具体实施过程中，所述层叠设置优选为如下几种形式：[0/GS/90]、[0/0/G/0/0]、[0/90/GS/90/0]、[0/90/0/90/GS/0/90/0/90]、[0/90/GS/0/90/GS/0/90/GS/0/90]、[0/90/0/90/GS/0/90/0/90/GS/0/90/0/90/GS/0/90/0/90]、[0/90/0/90/GNS/0/90/0/90]、[0/90/GNS/0/90/GNS/0/90/GNS/0/90]，其中0为一层0°预浸料层1，90为一层90°预浸料层2，GS为一层石墨膜，GNS为一层石墨烯膜。
在本发明中，所述导热增强体的直径优选为0.1～5mm，更优选为0.2～2mm，长度优选为0.1～5cm，更优选为0.5～1cm。在本发明中，所述导热增强体为纤维pin针或金属针，本发明选择纤维pin针或金属针作为导热增强体能够发挥其轴向高热导率的特性，作为复合材料在厚度方向上的导热通道以大幅提高复合材料整体的厚度热导率和层间剪切性能。
在本发明中，所述金属针优选为表面附着有高导热材料的金属针，所述高导热材料优选包括碳纳米管、石墨烯、氮化硼、银、铝或铜。在本发明中，所述金属针优选包括铜针、铝针和银针中的一种或多种。本发明对于所述金属针的制备没有特殊限定，采用本领域常规技术制备或市售产品即可，在本发明中，优选以金属材料为原料，采用机械加工的方式制备得到。
在本发明中，所述纤维pin针优选为表面附着有高导热材料的纤维pin针，所述高导热材料优选包括高导热填料或高导热金属；所述高导热填料包括碳纳米管、石墨烯或氮化硼；所述高导热金属优选包括银、铝或铜。本发明优选表面附着有高导热材料的纤维pin针是为了在纤维pin针表面形成高导热涂层，降低界面热阻，进一步提高复合材料的传热性能。
在本发明中所述纤维pin针优选包括沥青基碳纤维复合材料pin针、PAN基碳纤维复合材料pin针、碳纳米管纤维复合材料pin针和气相生长碳纤维复合材料pin针中的一种或多种。本发明对于纤维pin针的制备过程没有特殊限定，能够制备上述纤维pin针即可；在本发明中，所述纤维pin针优选采用碳纤维复丝法制备得到，所述碳纤维复丝法具体包括如下步骤：
将树脂、固化剂、稀释剂、促进剂、引发剂混合后加热，得到树脂胶液；
将纤维束浸渍所述树脂胶液后固化，得到纤维pin针前驱体；
将纤维pin针前驱体裁剪成短棒，一端磨成45°尖角，得到纤维pin针。
本发明将树脂、固化剂、稀释剂、促进剂、引发剂混合后加热，得到树脂胶液；在本发明中，树脂单体分子在稀释剂、固化剂、促进剂、引发剂以及加热的作用下，官能团发生固化交联，逐渐形成大分子树脂，同时，树脂状态从液态变成固态。
在本发明中，所述树脂用量优选为80～120重量份，更优选为100重量份；所述树脂优选包括环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂和氰酸酯树脂中的一种或多种。
在本发明中，以树脂的重量份数为基准，所述固化剂优选为1～30份，更优选为5～20份；在本发明中，所述固化剂优选包括脂肪族胺类、酰胺基胺类和芳族胺类中的一种或多种。
在本发明中，以树脂的重量份数为基准，所述稀释剂优选为1～20份，更优选为5～10份；在本发明中，所述稀释剂优选包括丙酮、苯、甲苯和正丁醇中的一种或多种。
在本发明中，以树脂的重量份数为基准，所述促进剂优选为1～5份，更优选为2～4份；在本发明中，所述促进剂优选包括脂肪胺促进剂、酸酐促进剂和环烷酸钴中的一种或多种。
在本发明中，以树脂的重量份数为基准，所述引发剂优选为1～5份，更优选为2～3份；在本发明中，所述引发剂优选包括有机过氧化物引发剂、无机过氧化物引发剂、偶氮类引发剂中的一种或多种；在本发明中，所述有机过氧化物引发剂优选包括过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酰叔丁酯和过氧化甲乙酮中的一种或多种；在本发明中，所述无机过氧化物引发剂优选包括过氧化氢、过硫酸铵或过硫酸钾中的一种或多种；在本发明中，所述偶氮类引发剂优选包括偶氮二异丁腈(AIBN)、偶氮二异庚腈(ABVN)、偶氮二异丁脒盐酸盐(AIBA)和偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐(AIBI)中的一种或多种。
在本发明中，所述混合优选在搅拌条件下进行，本发明对于搅拌的速率和时间没有特殊要求，能够使原料组分混合均匀即可；在本发明中，所述加热优选在真空条件下进行，所述加热的温度优选为20～120℃，更优选为50～100℃，所述加热的时间优选为5～60min，更优选为10～30min；所述真空条件的压力优选为0.01～0.5MPa，更优选为0.05～0.1MPa。
得到树脂胶液后，本发明优选将纤维束浸渍所述树脂胶液得到浸渍纤维束。在本发明中，所述纤维束优选包括沥青基碳纤维、PAN基碳纤维、碳纳米管纤维和气相生长碳纤维中的一种或多种，本发明提供的纤维束均为高模纤维，采用常规的拉挤工艺进行制备，会造成大量的断丝，制备得到的纤维pin针产品质量低，导热性差，产品合格率不高，而采用碳纤维复丝法能够解决上述缺陷，提高pin针的产品质量和成品率。本发明对于浸渍方式和时间没有特殊要求，以纤维束充分浸润树脂为标准。
得到浸渍纤维束后，本发明优选将浸渍纤维束缠绕固定在铁架上，放入烘箱中进行固化得到纤维pin针前驱体。在本发明中，所述固化温度优选为120～150℃，更优选为130～140℃，所述固化时间优选为10～30min，更优选为15～20min。本发明对于固化的操作没有特殊要求，采用本领域常规的固化技术即可；本发明固化的目的是使得纤维束和树脂成为一个固态的有机整体，确保纤维的平直单向以提高pin针的导热性能。
得到纤维pin针前驱体后，本发明优选在纤维pin针前驱体表面附着高导热材料得到表面附着有高导热材料的纤维pin针前驱体；在本发明中，所述高导热材料包括高导热填料和高导热金属；在本发明中，所述高导热填料包括碳纳米管和/或石墨烯，所述高导热金属也优选包括银、铝或铜。在本发明中，所述附着方式优选包括喷涂或喷镀的方式。在本发明具体实施过程中，优选将高导热填料分散液喷涂在纤维pin针前驱体表面，待溶液挥发后成型制备得到表面附着有高导热填料的纤维pin针前驱体，所述分散液中高导热填料的浓度为3～10w％，更优选为5wt％。在本发明具体实施过程中，优选将高导热金属直接喷镀在在纤维pin针前驱体表面制备得到表面附着有高导热金属的纤维pin针前驱体。
得到表面附着有高导热材料的纤维pin针前驱体后，本发明优选将纤维pin针前驱体裁剪成短棒，一端磨成45°尖角，得到所需纤维pin针。在本发明中，所述短棒的长度要求高于纤维pin针实际长度，便于植入平面层后的修剪和固定。
本发明还提供了上述三维传热通道复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将预浸料和热处理后的导热膜进行层叠铺层得到平面层；
采用热压处理的方式将导热增强体垂直植入所述平面层中，得到三维传热通道复合材料。
本发明将预浸料和热处理后的导热膜进行层叠铺层得到平面层；在本发明中，所述热处理的温度优选为40～60℃，更优选为45～50℃，所述热处理的时间优选为30～60min，更优选为40～50min。在本发明中，所述热处理设备优选为的烘箱，热处理工艺没有特殊限定。本发明对导热膜进行热处理的目的在于去除导热膜在空气中放置时吸附的水蒸气，使导热膜更好地贴覆预浸料表面，减小导热膜与预浸料间的界面热阻，提高复合材料的整体导热性能。
在本发明中，所述层叠铺层的方式和上述方案一致，在此不再赘述。
得到平面层后，本发明采用热压处理的方式将导热增强体垂直植入所述平面层中，得到三维传热通道复合材料。在本发明中，所述导热增强体的选择和上述方案一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述热压处理的压力优选为1.5～2.5MPa，更优选为2.0MPa；所述热压处理的温度优选为120～250℃，更优选为140～240℃；所述热压处理的时间优选为1～10h，更优选为4～8h。本发明采用热压处理的方式在平面层中植入导热增强体，是为了使得导热增强体表面的树脂胶液固化连接平面层，防止导热增强体的脱落和植入后空隙的生成，降低热扩散，提高厚度方向传热通道的稳定性。
在本发明中，所述热压处理优选包括依次进行的第一热压、第二热压、第三热压和第四热压；在本发明中，所述第一热压的温度优选为120～140℃，所述第一热压的时间优选为0.5～1h；所述第二热压的温度优选为160～180℃，所述第二热压的时间优选为1～2h；所述第三热压的温度优选为200～220℃，所述第三热压的时间优选为2～3h；所述第四热压的温度优选为220～250℃，所述第四热压的时间优选为0.5～2h。本发明设置第二热压的温度为160～180℃，是因为胶导热增强体pin针表面树脂液凝胶点在160～180℃附近，能够促进树脂的液化，然后在第三热压中的稳定压力和200～220℃的高温下实现固化效果。
在本发明中，所述热压处理优选在硫化台中进行，本发明对于硫化台没有特殊限定，采用本领域常规硫化台设备即可。本发明对于所述热压处理的具体操作方式没有特殊要求，采用本领域常规技术即可。
下面结合实施例对本发明提供的三维传热通道复合材料及其制备方法与应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
裁剪100×100mm规格T700SC碳纤维预浸料，备用。
裁剪100×100mm规格石墨膜(GS)，置于烘箱中60℃热处理30min，备用。
配置树脂胶液：在100重量份的环氧树脂中加入30重量份的脂肪族胺类固化剂、20重量份的丙酮稀释剂、5重量份的脂肪胺促进剂、5重量份的过氧化苯甲酰引发剂，在0.1MPa真空压力、120℃温度下搅拌10min。
将T700SC碳纤维束浸渍到树脂胶液中，待充分浸润后，将其缠绕固定在铁架上，放入烘箱中在150℃温度下固化10min得到纤维pin针前驱体；在纤维pin针前驱体表面喷涂质量分数为0.5wt％碳纳米管分散液，待溶液挥发后，裁剪成长为1cm的短棒，并将一端磨成45°尖角，得到T700SC碳纤维复合材料pin针。
按[0/90/0/90/GS/0/90/0/90]叠层设置的方式进行铺层得到平面层，将T700碳纤维复合材料pin针(尖角朝上)放入到内含间距3mm和5mm小孔方阵的铝板中，如图2所示，将平面层放置在pin针尖角之上，其上放置硬质泡沫进行挤压，使得pin针刺穿平面层，在硫化台上加压至2MPa，加压速率为0.1MPa/min，设置140℃1h+170℃2h+220℃3h+250℃2h的方式进行热压处理，得到增强体间距分别为3mm和5mm的三维传热通道复合材料，其平面和横截面如图3、4所示。
实施例2
本实施例的方案与实施例1基本相同，区别在于平面层是按照[0/90/GS/0/90/GS/0/90/GS/0/90]叠层设置进行铺层。
对比例1
本对比例的方案与实施例1基本相同，区别在于平面层是按照[0/90/0/90/0/90/0/90]叠层设置进行铺层。
对比例2
本对比例的方案与实施例1基本相同，区别在于没有在平面层中植入导热增强体T700SC碳纤维复合材料pin针。
对本发明实施例1～2和对比例1～2中制备的复合材料进行厚度方向和面内热导率测试以及层间剪切强度，结果如表1所示：
表1为实施例1～2和对比例1～2复合材料厚度方向和面内热导率以及层间剪切强度
对表1进行分析可以得出：
由实施例1和实施例2中数据对比可知：导热增强体间距为3mm时复合材料的厚度热导率是高于间距为5mm；
由实施例1和对比例1中数据对比可知：平面层中GS导热膜层的添加能够提高复合材料的面内热导率，同时会降低复合材料的层间剪切强度。
由实施例1和对比例2中数据对比可知，导热增强体T700SC碳纤维复合材料pin针的植入能够显著提高复合材料的厚度热导率和层间剪切强度。
实施例3
裁剪100×100mm规格M55J碳纤维预浸料，备用。
裁剪100×100mm规格石墨膜(GS)，置于烘箱中50℃热处理45min，备用。
配置树脂胶液：在100重量份的双马来酰亚胺树脂中加入15重量份的、酰胺基胺类固化剂、10重量份的苯稀释剂、2重量份的酸酐促进剂、3重量份的过硫酸铵引发剂，在0.05MPa真空压力、50℃温度下搅拌30min。
将XN-90-60S碳纤维束浸渍到树脂胶液中，待充分浸润后，将其缠绕固定在铁架上，放入烘箱中在120℃温度下固化30min得到纤维pin针前驱体；在纤维pin针前驱体表面喷涂质量分数为0.5wt％碳纳米管分散液，待溶液挥发后，裁剪成长为0.5cm的短棒,并将一端磨成45°尖角，得到XN-90-60S碳纤维复合材料pin针。
按[0/90/0/90/GS/0/90/0/90]叠层设置的方式进行铺层得到平面层，将XN-90-60S碳纤维复合材料pin针(尖角朝上)放入到内含间距3mm和5mm小孔方阵的铝板中，将平面层放置在pin针尖角之上，其上放置硬质泡沫进行挤压，使得pin针刺穿平面层，在硫化台上设置加压至2.5MPa，加压速率为0.15MPa/min，设置140℃1h+170℃2h+220℃3h+250℃2h的方式进行热压处理，得到增强体间距分别为3mm和5mm的三维传热通道复合材料。
实施例4
本实施例的方案与实施例3基本相同，区别在于平面层是按照[0/90/GS/0/90/GS/0/90/GS/0/90]叠层设置进行铺层。
对比例3
本对比例的方案与实施例3基本相同，区别在于平面层是按照[0/90/0/90/0/90/0/90]叠层设置进行铺层。
对比例4
本对比例的方案与实施例3基本相同，区别在于没有在平面层中植入导热增强体XN-90-60S碳纤维复合材料pin针。
对本发明实施例3～4和对比例3～4中制备的复合材料进行厚度方向和面内热导率测试以及层间剪切强度，结果如表2所示：
表2为实施例3～4和对比例3～4复合材料厚度方向和面内热导率以及层间剪切强度
对表2进行分析可以得出：
由实施例3和实施例4中数据对比可知：导热增强体间距为3mm时复合材料的厚度热导率是高于间距为5mm；
由实施例3和对比例3中数据对比可知：平面层中GS导热膜层的添加能够提高复合材料的面内热导率，同时会降低复合材料的层间剪切强度。
由实施例3和对比例4中数据对比可知，导热增强体XN-90-60S碳纤维复合材料pin针的植入能够显著提高复合材料的厚度热导率和层间剪切强度。
实施例5
裁剪100×100mm规格沥青基碳纤维预浸料，备用。
裁剪100×100mm规格石墨烯膜(GNS)，置于烘箱中60℃热处理30min，备用。
配置树脂胶液：在100重量份的聚酰亚胺树脂中加入10重量份的芳族胺类固化剂、5重量份的甲苯稀释剂、1重量份的环烷酸钴促进剂、2重量份的AIBN引发剂，在0.05MPa真空压力、100℃温度下搅拌20min。
将XN-90-60S碳纤维束浸渍到树脂胶液中，待充分浸润后，将其缠绕固定在铁架上，放入烘箱中在140℃温度下固化20min得到纤维pin针前驱体；在纤维pin针前驱体表面喷涂质量分数为0.5wt％石墨烯分散液，待溶液挥发后，裁剪成长为1cm的短棒，并将一端磨成45°尖角，得到XN-90-60S碳纤维复合材料pin针。
按[0/90/0/90/GNS/0/90/0/90]叠层设置的方式进行铺层得到平面层，将XN-90-60S碳纤维复合材料pin针(尖角朝上)放入到内含间距3mm和5mm小孔方阵的铝板中，将平面层放置在pin针尖角之上，其上放置硬质泡沫进行挤压，使得pin针刺穿平面层，在硫化台上加压至1.5MPa，加压速率为0.1MPa/min，设置140℃1h+170℃2h+220℃3h+250℃2h的方式进行热压处理，得到增强体间距分别为3mm和5mm的三维传热通道复合材料。
实施例6
本实施例的方案与实施例5基本相同，区别在于平面层是按照[0/90/GNS/0/90/GNS/0/90/GNS/0/90]叠层设置进行铺层。
对比例5
本对比例的方案与实施例5基本相同，区别在于平面层是按照[0/90/0/90/0/90/0/90]叠层设置进行铺层。
对比例6
本对比例的方案与实施例5基本相同，区别在于没有在平面层中植入导热增强体XN-90-60S碳纤维复合材料pin针。
对本发明实施例5～6和对比例5～6中制备的复合材料进行厚度方向和面内热导率测试以及层间剪切强度，结果如表3所示：
表3为实施例5～6和对比例5～6复合材料厚度方向和面内热导率以及层间剪切强度
对表3进行分析可以得出：
由实施例5和实施例6中数据对比可知：导热增强体间距为3mm时复合材料的厚度热导率是高于间距为5mm；
由实施例5和对比例5中数据对比可知：平面层中GNS导热膜层的添加能够提高复合材料的面内热导率，同时会降低复合材料的层间剪切强度。
由实施例5和对比例6中数据对比可知，导热增强体XN-90-60S碳纤维复合材料pin针的植入能够显著提高复合材料的厚度热导率和层间剪切强度。
实施例7
裁剪100×100mm规格玻璃纤维预浸料，备用。
裁剪100×100mm规格石墨膜(GS)，置于烘箱中60℃热处理30min，备用。
配置树脂胶液：在100重量份的氰酸酯树脂中加入20重量份的酰胺基胺类固化剂、5重量份的正丁醇稀释剂、3重量份的环烷酸钴促进剂、1重量份的AIBA引发剂，在0.1MPa真空压力、50℃温度下搅拌30min。
将XN-90-60S碳纤维束浸渍到树脂胶液中，待充分浸润后，将其缠绕固定在铁架上，放入烘箱中在120℃温度下固化30min得到纤维pin针前驱体；在纤维pin针前驱体表面喷镀金属铝，然后裁剪成长为1cm的短棒，并将一端磨成45°尖角，得到XN-90-60S碳纤维复合材料pin针。
按[0/90/0/90/GS/0/90/0/90]叠层设置的方式进行铺层得到平面层，将XN-90-60S碳纤维复合材料pin针(尖角朝上)放入到内含间距3mm和5mm小孔方阵的铝板中，将平面层放置在pin针尖角之上，其上放置硬质泡沫进行挤压，使得pin针刺穿平面层，在硫化台上加压至2MPa，加压速率为0.1MPa/min，设置140℃1h+170℃2h+220℃3h+250℃2h的方式进行热压处理，得到增强体间距分别为3mm和5mm的三维传热通道复合材料。
实施例8
本实施例的方案与实施例7基本相同，区别在于平面层是按照[0/90/GNS/0/90/GNS/0/90/GNS/0/90]叠层设置进行铺层。
对比例7
本对比例的方案与实施例7基本相同，区别在于平面层是按照[0/90/0/90/0/90/0/90]叠层设置进行铺层。
对比例8
本对比例的方案与实施例7基本相同，区别在于没有在平面层中植入导热增强体XN-90-60S碳纤维复合材料pin针。
对本发明实施例7～8和对比例7～8中制备的复合材料进行厚度方向和面内热导率测试以及层间剪切强度，结果如表4所示：
表4为实施例7～8和对比例7～8复合材料厚度方向和面内热导率以及层间剪切强度
对表4进行分析可以得出：
由实施例7和实施例8中数据对比可知：导热增强体间距为3mm时复合材料的厚度热导率是高于间距为5mm；
由实施例7和对比例7中数据对比可知：平面层中GS导热膜层的添加能够提高复合材料的面内热导率，同时会降低复合材料的层间剪切强度。
由实施例7和对比例8数据对比可知，导热增强体XN-90-60S碳纤维复合材料pin针的植入能够显著提高复合材料的厚度热导率和层间剪切强度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维传热通道复合材料，其特征在于，包括平面层和垂直植入平面层的导热增强体，所述平面层包括层叠设置的预浸料层和导热膜层，所述导热增强体为纤维pin针或金属针。
2.根据权利要求1所述的三维传热通道复合材料，其特征在于，所述导热增强体的植入间距为(0～5]mm。
3.根据权利要求1或2所述的三维传热通道复合材料，其特征在于，所述导热增强体的直径为0.5～2mm，长度为0.1～10cm。
4.根据权利要求1所述的三维传热通道复合材料，其特征在于，所述预浸料层中的预浸料包括碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、芳纶纤维预浸料、超高碳分子量聚乙烯纤维预浸料、PBO纤维预浸料和玄武岩纤维预浸料中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的三维传热通道复合材料，其特征在于，所述导热膜层包括石墨膜、石墨烯膜和碳纳米管膜中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的三维传热通道复合材料，其特征在于，所述纤维pin针包括沥青基碳纤维复合材料pin针、PAN基碳纤维复合材料pin针、碳纳米管纤维复合材料pin针和气相生长碳纤维复合材料pin针中的一种或多种。
7.权利要求1～6任意一项所述的三维传热通道复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将预浸料和热处理后的导热膜进行层叠铺层得到平面层；
采用热压处理的方式将导热增强体垂直植入所述平面层中，得到三维传热通道复合材料。
8.根据权利要求7所述的三维传热通道复合材料的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度为40～60℃，所述热处理的时间为30～60min。
9.根据权利要求7所述的三维传热通道复合材料的制备方法，其特征在于，当所述导热增强体为纤维pin针时，其制备方法包括如下步骤：
将树脂、固化剂、稀释剂、促进剂、引发剂混合后加热，得到树脂胶液；
将纤维束浸渍所述树脂胶液后固化，得到纤维pin针前驱体；
将纤维pin针前驱体裁剪成短棒，一端磨成45°尖角，得到纤维pin针。
10.根据权利要求7所述的三维传热通道复合材料的制备方法，其特征在于，所述热压处理的压力为1.5～2.5MPa；
所述热压处理的温度为120～250℃；
所述热压处理的时间为1～10h。
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