CN111546739B - 一种层合导热复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种层合导热复合材料及其制备方法，属于导热材料技术领域。本发明以热塑性聚氨酯作为聚合物基体，以石墨膜和碳纤维布作为功能层，构建了高度取向结构的层合导热复合材料。本发明中连续性石墨膜的使用，可以有效构建导热通路，传热时热量可以沿石墨膜的方向进行迅速传播，面内热传导时，由于热流方向与石墨膜的方向一致，保证复合材料具有超高热导率。同时，在石墨膜上设置通孔，热塑性聚氨酯填充在石墨膜的通孔中形成“铆钉”结构，可以有效增强石墨膜和热塑性聚氨酯之间的界面结合强度。此外，碳纤维布可大幅提升复合材料的力学性能；且碳纤维布在复合材料中呈对称分布，保证复合材料力学性能的对称性。

Description

一种层合导热复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及导热材料技术领域，尤其涉及一种层合导热复合材料及其制备方法。
背景技术
导热复合材料主要分为三种：陶瓷基导热复合材料、金属基导热复合材料和聚合物基导热复合材料。金属本体具有很高的热导率，常用的比如铜、铝等，因此金属基导热复合材料的热导率往往很高。陶瓷基导热复合材料也具有较高的热导率。但是金属基导热复合材料和陶瓷基导热复合材料密度大、成型难度高，因此，目前聚合物基导热复合材料的研究更为广泛。
聚合物热导率普遍很低，约为0.1～0.5Wm-1K-1，因此需要加入高导热填料。聚合物基导热复合材料的制备方法主要包括溶液共混法、熔融共混法和原位聚合法，结构上主要分为填料均匀分散(或称为随机分散)的结构和填料取向的结构。填料均匀分散的结构即“海-岛”结构，聚合物基体作为连续相，填料在聚合物基体中作为分散相孤立分布，因为填料未能连接形成导热通路，因此这种结构的复合材料热导率很低，即使填料含量较高时，热导率也难以大幅提升。通过在聚合物基体内部构建填料的导热通路，或者使填料在某一方向上取向，利用不同类别的填料或不同尺寸的同一填料之间存在的协同效应，可以提升复合材料的热导率。
近年来电子设备集成化和微型化的趋势日益显著，但现有的聚合物基导热复合材料的热导率仍普遍偏低，难以满足电子设备散热的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种层合导热复合材料及其制备方法，本发明提供的层合导热复合材料具有超高热导率，且层合结构界面作用强，力学性能好。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种层合导热复合材料，包括叠层设置的若干层石墨膜和若干层碳纤维布，所述石墨膜上设置有若干通孔，若干层所述碳纤维布在所述层合导热复合材料中呈对称分布；
所述层合导热复合材料的上表层和下表层均设置有一层热塑性聚氨酯层；所述石墨膜和碳纤维布均记为功能层，相邻的两层功能层之间设置有一层热塑性聚氨酯层，且所述石墨膜上的通孔中填充有热塑性聚氨酯。
优选地，所述层合导热复合材料中石墨膜的体积分数为8～40％，碳纤维布的体积分数为13～60％，余量为热塑性聚氨酯。
优选地，所述层合导热复合材料中石墨膜的层数为1～15层，所述碳纤维布的层数为1～2层。
优选地，所述层合导热复合材料中若干层热塑性聚氨酯层的两侧分别为石墨膜和碳纤维布。
优选地，所述层合导热复合材料中若干层热塑性聚氨酯层的两侧均为石墨膜。
优选地，所述层合导热复合材料中热塑性聚氨酯层的两侧均不同时为碳纤维布。
优选地，所述石墨膜的厚度为25μm，面内热导率为1500～1800Wm-1K-1，面外热导率为15Wm-1K-1；所述石墨膜上的通孔呈阵列分布，孔径为1mm，孔间距为4mm；
所述碳纤维布的厚度为300μm；
单层所述热塑性聚氨酯层的厚度为13.5～203μm。
本发明提供了上述技术方案所述层合导热复合材料的制备方法，包括以下步骤：
向模具中加入热塑性聚氨酯溶液，加热使热塑性聚氨酯溶液中溶剂挥发，之后铺设一层功能层，按照层合导热复合材料的预设结构，重复加入热塑性聚氨酯溶液、加热使热塑性聚氨酯溶液中溶剂挥发以及铺设一层功能层的步骤，至最后一层功能层铺设完毕后，向模具中加入热塑性聚氨酯溶液，加热使热塑性聚氨酯溶液中溶剂挥发，得到前驱体材料；其中，所述功能层为石墨膜或碳纤维布；
将所述前驱体材料进行热压处理，脱模后得到层合导热复合材料。
优选地，所述热塑性聚氨酯溶液中溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，所述热塑性聚氨酯溶液中热塑性聚氨酯的质量分数为10％；制备所述前驱体材料的过程中，加热的温度为90～150℃。
优选地，所述热压处理的温度为200℃，时间为2～3h，压力为2.5～3.5kg。
本发明提供了一种层合导热复合材料，包括叠层设置的若干层石墨膜和若干层碳纤维布，所述石墨膜上设置有若干通孔，若干层所述碳纤维布在所述层合导热复合材料中呈对称分布；所述层合导热复合材料的上表层和下表层均设置有一层热塑性聚氨酯层；所述石墨膜和碳纤维布均记为功能层，相邻的两层功能层之间设置有一层热塑性聚氨酯层，且所述石墨膜上的通孔中填充有热塑性聚氨酯。本发明以热塑性聚氨酯作为聚合物基体，以石墨膜和碳纤维布作为功能层，构建了高度取向结构的层合导热复合材料。本发明提供的层合导热复合材料中连续性石墨膜的使用，可以有效构建导热通路，传热时热量可以沿石墨膜的方向进行迅速传播，面内热传导时，由于热流方向与石墨膜的方向一致，因此热塑性聚氨酯和石墨膜的界面热阻对热导率的影响降到了最低，保证了复合材料的超高热导率。同时，在石墨膜上设置通孔，热塑性聚氨酯填充在石墨膜的通孔中形成“铆钉”结构，可以有效增强石墨膜和热塑性聚氨酯之间的界面结合强度。此外，碳纤维布可大幅提升复合材料的拉伸模量、弯曲模量和弯曲强度，显著增强其力学性能；且碳纤维布在复合材料中呈对称分布，保证层合导热复合材料力学性能的对称性。
本发明提供了所述层合导热复合材料的制备方法，包括以下步骤：向模具中加入热塑性聚氨酯溶液，加热使热塑性聚氨酯溶液中溶剂挥发，之后铺设一层功能层，按照层合导热复合材料的预设结构，重复加入热塑性聚氨酯溶液、加热使热塑性聚氨酯溶液中溶剂挥发以及铺设一层功能层的步骤，至最后一层功能层铺设完毕后，向模具中加入热塑性聚氨酯溶液，加热使热塑性聚氨酯溶液中溶剂挥发，得到前驱体材料；其中，所述功能层为石墨膜或碳纤维布；将所述前驱体材料进行热压处理，得到层合导热复合材料。本发明提供的方法中，热塑性聚氨酯溶液分次添加，即每铺设一层功能层添加一次热塑性聚氨酯溶液，便于通过精准控制热塑性聚氨酯的添加量，使相邻功能层之间的热塑性聚氨酯层厚度均一，避免脱粘分层的问题。
附图说明
图1为本发明中层合导热复合材料的结构示意图；
图2为本发明中排用冲的实物图。
具体实施方式
本发明提供了一种层合导热复合材料，包括叠层设置的若干层石墨膜和若干层碳纤维布，所述石墨膜上设置有若干通孔，若干层所述碳纤维布在所述层合导热复合材料中呈对称分布；
所述层合导热复合材料的上表层和下表层均设置有一层热塑性聚氨酯层，所述石墨膜和碳纤维布均记为功能层，相邻的两层功能层之间设置有一层热塑性聚氨酯层，且所述石墨膜上的通孔中填充有热塑性聚氨酯。
在本发明中，若无特殊说明，所用原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明提供的层合导热复合材料中包括若干层石墨膜(GF)，所述层合导热复合材料中石墨膜的体积分数优选为8～40％，更优选为8～25％，进一步优选为15～25％。在本发明提供的层合导热复合材料中，所述石墨膜的厚度优选为25μm；面内热导率优选为1500～1800Wm-1K-1，更优选为1800Wm-1K-1；面外热导率优选为15Wm-1K-1。本发明采用高导热石墨膜，利用其高连续性在层合导热复合材料中有效构建导热通路，大幅提升层合导热复合材料的面内热导率，且成本相对较低。
在本发明中，所述石墨膜上设置有若干通孔，所述通孔优选呈阵列分布，孔径优选为1mm；孔间距优选为4mm。本发明在石墨膜上设置通孔，可以改善层合导热复合材料的界面，增强基体TPU与石墨膜之间的界面作用。
本发明提供的层合导热复合材料中包括若干层碳纤维布(CF)，所述层合导热复合材料中碳纤维布的体积分数优选为13～60％，进一步优选为24～60％。在本发明提供的层合导热复合材料中，所述碳纤维布的厚度优选为300μm。在本发明中，碳纤维布的使用可以显著增强层合导热复合材料的力学性能。
本发明提供的层合导热复合材料中包括余量的热塑性聚氨酯(TPU)，所述热塑性聚氨酯优选为注塑级(90A)。
本发明提供的层合导热复合材料中，若干层石墨膜和若干层碳纤维布叠层设置，且若干层所述碳纤维布在所述层合导热复合材料中呈对称分布，这样可以保证力学上的对称性。在本发明中，所述层合导热复合材料的上表层和下表层均设置有一层热塑性聚氨酯层，所述石墨膜和碳纤维布均记为功能层，相邻的两层功能层之间设置有一层热塑性聚氨酯层。在本发明提供的层合导热复合材料中，单层所述热塑性聚氨酯层的厚度优选为13.5～203μm，更优选为13.5～85μm。
在本发明中，所述层合导热复合材料中若干层热塑性聚氨酯层的两侧可以分别为石墨膜和碳纤维布，也可以均为石墨膜；即，所述石墨膜和碳纤维布之间设置有一层热塑性聚氨酯层，相邻的两层石墨膜之间设置有一层热塑性聚氨酯层；也即，若不计热塑性聚氨酯层，在保证碳纤维布在所述层合导热复合材料中呈对称分布的基础上，所述层合导热复合材料中多层石墨膜可以连续叠层设置，也可以一层石墨膜与一层碳纤维布交替叠层设置。本发明对连续叠层设置的石墨膜的具体层数没有特殊限定，根据实际需要设计即可；在本发明的实施例中，连续叠层设置的石墨膜的层数优选为3～5层。
在本发明中，所述层合导热复合材料中热塑性聚氨酯层的两侧可以同时为碳纤维布，也可以不同时为碳纤维布，优选不同时为碳纤维布；即若不计热塑性聚氨酯层，在保证碳纤维布在所述层合导热复合材料中呈对称分布的基础上，所述层合导热复合材料中多层碳纤维布可以连续叠层设置，也可以不连续设置(此时一层石墨膜与一层碳纤维布交替叠层设置)，优选不连续设置，无需连续叠层设置碳纤维布即可满足力学性能要求，且便于其对称设置。
本发明对与层合导热复合材料的上表层和下表层相接触的功能层的具体种类没有特殊限定，可以为石墨膜，也可以为碳纤维布，优选的，与层合导热复合材料的上表层和下表层相接触的功能层均为石墨膜。
本发明提供的层合导热复合材料中，所述石墨膜上的通孔中填充有热塑性聚氨酯。本发明在石墨膜上设置通孔，且所述石墨膜上的通孔中填充有热塑性聚氨酯，可以有效增强石墨膜和热塑性聚氨酯之间的界面结合强度。
本发明优选根据实际需要设计层合导热复合材料中石墨膜以及碳纤维布的层数以及二者的具体分布情况。在本发明提供的层合导热复合材料中，所述石墨膜的层数优选为1～15层，更优选为10～15层；所述碳纤维布的层数优选为1～2层，更优选为2层，具体的，当所述碳纤维布的层数为1层时，所述碳纤维布设置在层合导热复合材料的中间。在本发明中，若石墨膜的层数记为A，碳纤维布的层数记为B，则所述热塑性聚氨酯层的层数为A+B+1。本发明通过控制石墨膜、碳纤维布和热塑性聚氨酯层的层数，以及每一层热塑性聚氨酯层的厚度，可以实现对石墨膜和碳纤维布体积分数的控制。
在本发明的实施例中，具体的，层合导热复合材料可以由18层热塑性聚氨酯(TPU)、15层石墨膜(GF)和2层碳纤维布(CF)组成，不计TPU，具体是每连续叠层设置5层GF后，设置1层CF(即所述层合导热复合材料的结构简写为5GF/CF/5GF/CF/5GF)，所述层合导热复合材料的上表层和下表层均为TPU，且相邻的CF与GF之间以及相邻的两层GF之间均设置一层TPU；类似的，所述层合导热复合材料的结构还可以为3GF/CF/4GF/CF/3GF，即层合导热复合材料由13层TPU、10层GF和2层CF组成，不计TPU，具体是连续叠层设置3层GF后，设置1层CF，然后连续叠层设置4层GF后，再设置1层CF，最后连续叠层设置3层GF，所述层合导热复合材料的上表层和下表层均为TPU，且相邻的CF与GF之间以及相邻的两层GF之间均设置一层TPU。
图1为本发明中层合导热复合材料的结构示意图，其中(a)为层合导热复合材料的示意图，(b)为层合导热复合材料中的“铆钉”结构示意图。基于目前的聚合物基导热复合材料热导率普遍偏低、且层合复合材料中层与层之间的弱界面问题，本发明中连续性石墨膜的使用，为复合材料提供了高效的导热通路，有效提升了复合材料的面内热导率，在石墨膜上设置通孔后，TPU可填充在石墨膜的通孔中形成“铆钉”结构，增强石墨膜和TPU之间的界面。此外，碳纤维布的使用可大幅提升复合材料的拉伸模量、弯曲模量和弯曲强度，显著增强复合材料的力学性能。
本发明提供了上述技术方案所述层合导热复合材料的制备方法，包括以下步骤：
向模具中加入热塑性聚氨酯溶液，加热使热塑性聚氨酯溶液中溶剂挥发，之后铺设一层功能层，按照层合导热复合材料的预设结构，重复加入热塑性聚氨酯溶液、加热使热塑性聚氨酯溶液中溶剂挥发以及铺设一层功能层的步骤，至最后一层功能层铺设完毕后，向模具中加入热塑性聚氨酯溶液，加热使热塑性聚氨酯溶液中溶剂挥发，得到前驱体材料；其中，所述功能层为石墨膜或碳纤维布；
将所述前驱体材料进行热压处理，脱模后得到层合导热复合材料。
本发明首先制备前驱体材料，具体是向模具中加入热塑性聚氨酯溶液，加热使热塑性聚氨酯溶液中溶剂挥发，之后铺设一层功能层，按照层合导热复合材料的预设结构，重复加入热塑性聚氨酯溶液、加热使热塑性聚氨酯溶液中溶剂挥发以及铺设一层功能层的步骤，至最后一层功能层铺设完毕后，向模具中加入热塑性聚氨酯溶液，加热使热塑性聚氨酯溶液中溶剂挥发，得到前驱体材料；其中，所述功能层为石墨膜或碳纤维布。本发明对所述模具的尺寸没有特殊限定，根据实际需要选择合适的尺寸即可；在本发明的实施例中，所述模具的尺寸优选为80mm×80mm，石墨膜以及碳纤维布的尺寸优选为75mm×75mm。在本发明中，所述模具的尺寸略大于石墨膜以及碳纤维布的尺寸，是为了便于进行铺层操作，在制备过程中，材料的侧面也会附着有热塑性聚氨酯，待脱模后，采用刀具将所得材料的侧面进行修整，去除边缘位置不规则的部位即可。
在本发明中，所述石墨膜上的通孔优选自行制备，具体可以采用穿孔工具对石墨膜进行穿孔处理；所述穿孔工具优选为排用冲(如图2所示)，排用冲的孔径以及孔间距与石墨膜上的通孔相一致；在进行穿孔处理时，优选在石墨膜的上下表面分别铺设一层塑料膜，为保证通孔分布的均匀性，事先在所述塑料膜上绘制参考线，穿孔处理后撕下塑料膜即可。
在本发明中，所述热塑性聚氨酯溶液中溶剂优选为N,N-二甲基甲酰胺，所述热塑性聚氨酯溶液中热塑性聚氨酯的质量分数优选为10％；每次向模具中加入热塑性聚氨酯溶液的体积可以根据层合导热复合材料的预设结构选择，优选地，每次向模具中加入热塑性聚氨酯溶液的体积相同(在石墨膜上加入热塑性聚氨酯溶液时，石墨膜上的通孔中也会填充热塑性聚氨酯溶液，由于通孔总体积较小，对热塑性聚氨酯溶液体积的影响忽略不计)。
在本发明中，制备所述前驱体材料的过程中，加热的温度优选为90～150℃，更优选为120℃。本发明对所述加热的时间没有特殊限定，使热塑性聚氨酯溶液中溶剂挥发即可，具体的，加热使大部分溶剂挥发，使剩余物表观呈固体状即可。
得到前驱体材料后，本发明将所述前驱体材料进行热压处理，脱模后得到层合导热复合材料。在本发明中，所述热压处理的温度优选为200℃；时间优选为2～3h，更优选为3h；压力优选为2.5～3.5kg，更优选为3.5kg。本发明优选在真空干燥箱中进行所述热压处理。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例制备层合导热复合材料所用原料及模具如下：
热塑性聚氨酯(TPU)为注塑级(90A)，以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，配制质量分数为10％的TPU溶液；
石墨膜(GF)的厚度为25μm，面内热导率为1800Wm-1K-1，面外热导率15Wm-1K-1，石墨膜使用前利用排用冲进行穿孔处理，具体是在石墨膜的上下表面分别铺设一层塑料膜(绘制有参考线)，穿孔处理后撕下塑料膜，所得石墨膜上的通孔呈阵列分布，且孔径为1mm，孔间距为4mm；裁剪为75mm×75mm的小片备用；
碳纤维布(CF)的厚度为300μm，裁剪为75mm×75mm的小片备用；
模具尺寸为80mm×80mm。
本实施例制备的层合导热复合材料由18层TPU、15层GF和2层CF组成，不计TPU，具体是每连续铺设5层GF后，铺设1层CF(即所述层合导热复合材料的结构简写为5GF/CF/5GF/CF/5GF)，所述层合导热复合材料的上表层和下表层均为TPU，且相邻的CF与GF之间以及相邻的两层GF之间均设置一层TPU。
制备方法如下：
利用20mL的注射器，在模具中加入15mL的TPU溶液，120℃条件下加热0.5h，使大量的DMF挥发后(剩余物表观呈固体状)，向模具中放入一层GF，随后加入15mL的TPU溶液，120℃条件下加热0.5h使DMF挥发后，再次向模具中放入一层GF，重复加入TPU溶液(15mL)-加热(120℃，0.5h)-放入功能层(GF或CF)的步骤，直到所得前驱体材料的结构与层合导热复合材料的预设结构一致，铺层完成后，将所得前驱体材料放入200℃的真空干燥箱，并在前驱体材料的上表面施加3.5kg压力，进行热压处理3h，得到层合导热复合材料；其中，GF的总体积分数为8％，CF的总体积分数为13％，余量为TPU，所述层合导热复合材料记为8％GF/13％CF/TPU复合材料。
实施例2
按照实施例1的方法制备层合导热复合材料(结构仍为5GF/CF/5GF/CF/5GF)，不同之处在于：每次向模具中加入TPU溶液的体积为6.3mL。
本实施例最终所得层合导热复合材料记为15％GF/24％CF/TPU复合材料，即GF的总体积分数为15％，CF的总体积分数为24％，余量为TPU。
实施例3
按照实施例1的方法制备层合导热复合材料，不同之处在于：本实施例中层合导热复合材料由13层TPU、10层GF和2层CF组成，不计TPU，具体是连续铺设3层GF后，铺设1层CF，然后连续铺设4层GF后，再铺设设1层CF，最后铺设3层GF(即所述层合导热复合材料的结构简写为3GF/CF/4GF/CF/3GF)，所述层合导热复合材料的上表层和下表层均为TPU，且相邻的CF与GF之间以及相邻的两层GF之间均设置一层TPU；每次向模具中加入TPU溶液的体积为1mL。
本实施例最终所得层合导热复合材料记为25％GF/60％CF/TPU复合材料，即GF的总体积分数为25％，CF的总体积分数为60％，余量为TPU。
性能测试
将实施例1～3制备的层合导热复合材料进行性能测试，并与纯TPU材料(即不添加功能层)的性能进行比较；其中，热导率依据ASTM E1461进行检测，弯曲模量和弯曲强度依据GBT 1449-2005进行检测，拉伸模量依据GB 1447-2005进行检测，弯曲模量、弯曲强度以及拉伸模量测试中载荷加载速度为2mm/min，结果见表1。由表1可知，本发明提供的层合导热复合材料具有优异的热导率和力学性能。
表1实施例1～3制备的层合导热复合材料与纯TPU材料的性能测试数据
Figure BDA0002515143640000101
对比例
按照实施例1的方法制备复合材料，不同之处在于，按照复合材料的预设结构，向模具中叠层铺设GF(设置有通孔)以及CF，最后一次性加入TPU溶液，在120℃真空干燥箱中加热使溶剂挥发，之后在温度为200℃、压力为3.5kg的条件下进行热压处理，得到复合材料。
本对比例中制备复合材料时TPU的含量控制不够精确，且最终所得复合材料中GF与GF之间、以及GF与CF之间的TPU层厚度不均一，复合材料界面容易脱粘分层，导致无法得到满足热导率测试和力学性能测试要求的样品，无法测试其热导率和力学性能数据。
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 (8)

1.一种层合导热复合材料，其特征在于，包括叠层设置的若干层石墨膜和若干层碳纤维布，所述石墨膜上设置有若干通孔，若干层所述碳纤维布在所述层合导热复合材料中呈对称分布；
所述层合导热复合材料的上表层和下表层均设置有一层热塑性聚氨酯层；所述石墨膜和碳纤维布均记为功能层，相邻的两层功能层之间设置有一层热塑性聚氨酯层，且所述石墨膜上的通孔中填充有热塑性聚氨酯；
所述层合导热复合材料中石墨膜的体积分数为8～40％，碳纤维布的体积分数为13～60％，余量为热塑性聚氨酯；
所述石墨膜的厚度为25μm，面内热导率为1500～1800Wm-1K-1，面外热导率为15Wm-1K-1；所述石墨膜上的通孔呈阵列分布，孔径为1mm，孔间距为4mm；
所述碳纤维布的厚度为300μm；
单层所述热塑性聚氨酯层的厚度为13.5～203μm。
2.根据权利要求1所述的层合导热复合材料，其特征在于，所述层合导热复合材料中石墨膜的层数为1～15层，所述碳纤维布的层数为1～2层。
3.根据权利要求1所述的层合导热复合材料，其特征在于，所述层合导热复合材料中若干层热塑性聚氨酯层的两侧分别为石墨膜和碳纤维布。
4.根据权利要求3所述的层合导热复合材料，其特征在于，所述层合导热复合材料中若干层热塑性聚氨酯层的两侧均为石墨膜。
5.根据权利要求1～4任一项所述的层合导热复合材料，其特征在于，所述层合导热复合材料中热塑性聚氨酯层的两侧均不同时为碳纤维布。
6.权利要求1～5任一项所述层合导热复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
向模具中加入热塑性聚氨酯溶液，加热使热塑性聚氨酯溶液中溶剂挥发，之后铺设一层功能层，按照层合导热复合材料的预设结构，重复加入热塑性聚氨酯溶液、加热使热塑性聚氨酯溶液中溶剂挥发以及铺设一层功能层的步骤，至最后一层功能层铺设完毕后，向模具中加入热塑性聚氨酯溶液，加热使热塑性聚氨酯溶液中溶剂挥发，得到前驱体材料；其中，所述功能层为石墨膜或碳纤维布；
将所述前驱体材料进行热压处理，脱模后得到层合导热复合材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述热塑性聚氨酯溶液中溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，所述热塑性聚氨酯溶液中热塑性聚氨酯的质量分数为10％；制备所述前驱体材料的过程中，加热的温度为90～150℃。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述热压处理的温度为200℃，时间为2～3h，压力为2.5～3.5kg。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112848385A (zh) * 2021-01-04 2021-05-28 北京化工大学常州先进材料研究院 一种石墨膜导热增强复合材料的制备方法
CN115431604A (zh) * 2021-06-01 2022-12-06 汉达精密电子(昆山)有限公司 导热复合纤维材结构制作方法及结构
CN115284713B (zh) * 2022-08-12 2023-12-08 浙江理工大学绍兴柯桥研究院有限公司 一种高分子复合导热异质纤维膜及其制备方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103057221A (zh) * 2013-01-10 2013-04-24 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 一种三维骨架石墨烯泡沫改性的叠层复合材料及制备方法
CN103079819A (zh) * 2010-08-31 2013-05-01 保力马科技株式会社 导热片
CN103770341A (zh) * 2014-01-16 2014-05-07 北京航空航天大学 碳纤维增强复合材料的加工系统及其采用液体成型工艺的可控碳纤维自加热方法
CN204585979U (zh) * 2015-01-27 2015-08-26 衡山县佳诚新材料有限公司 导热软硅胶绝缘垫片
WO2017099403A1 (ko) * 2015-12-09 2017-06-15 (주)엘지하우시스 복합재 분리판 및 그 제조 방법
CN108074821A (zh) * 2016-11-16 2018-05-25 利诺士尖端材料有限公司 电磁波屏蔽及散热复合片用石墨片、包括其的电磁波屏蔽及散热复合片及其制备方法
CN108410136A (zh) * 2018-05-02 2018-08-17 北京大学 新型高导热石墨烯或石墨膜/碳纤维复合材料制备方法
CN110034080A (zh) * 2017-12-26 2019-07-19 卓英社有限公司 导热部件

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103079819A (zh) * 2010-08-31 2013-05-01 保力马科技株式会社 导热片
CN103057221A (zh) * 2013-01-10 2013-04-24 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 一种三维骨架石墨烯泡沫改性的叠层复合材料及制备方法
CN103770341A (zh) * 2014-01-16 2014-05-07 北京航空航天大学 碳纤维增强复合材料的加工系统及其采用液体成型工艺的可控碳纤维自加热方法
CN204585979U (zh) * 2015-01-27 2015-08-26 衡山县佳诚新材料有限公司 导热软硅胶绝缘垫片
WO2017099403A1 (ko) * 2015-12-09 2017-06-15 (주)엘지하우시스 복합재 분리판 및 그 제조 방법
CN108074821A (zh) * 2016-11-16 2018-05-25 利诺士尖端材料有限公司 电磁波屏蔽及散热复合片用石墨片、包括其的电磁波屏蔽及散热复合片及其制备方法
CN110034080A (zh) * 2017-12-26 2019-07-19 卓英社有限公司 导热部件
CN108410136A (zh) * 2018-05-02 2018-08-17 北京大学 新型高导热石墨烯或石墨膜/碳纤维复合材料制备方法

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