CN111763427B - 一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备方法 - Google Patents

一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备方法，属于导热复合材料技术领域。本发明解决了高导热沥青基碳纤维易产生毛刺、撕裂和分层等现象导致复合材料性能降低的问题。本发明采用原子层沉积技术在高导热沥青基碳纤维表面均匀沉积纳米ZnO薄膜，与氰酸酯树脂固化得到复合材料。本发明具有沉积温度低，厚度均匀可控的优点，能够有效改善高导热沥青基碳纤维易产生毛刺、撕裂和分层等多形态、多尺度损伤的问题，利用ZnO表面丰富的含氧极性基团能够有效改善高导热沥青基碳纤维与氰酸酯树脂基体间的界面结合强度，显著提高复合材料的力学性能和导热性能。

Description

一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于导热复合材料技术领域；具体涉及一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备方法。
背景技术
随着航天器功能性不断提高，载荷重量与体积越来越大，并且大量使用高功率密度器件和部组件，散热问题突出。这些对航天器平台结构复合材料力学性能和导热性能提出了更高的需求。高导热中间相沥青基碳纤维具有很高的热导率、拉伸模量和近零的热膨胀系数，其增强的复合材料在高导热结构面板、高刚度结构件、温度交变环境零膨胀系数部件、高导热防热结构件等方面具有不可替代的作用，是卫星主体结构、功能结构、防护结构和辅助结构上不可替代的关键核心材料。
然而，限制沥青基碳纤维复合材料快速发展和应用的主要问题是其较差的层间性能，在材料加工、运输、装配等过程极易产生无法修复的毛刺、撕裂和分层等多形态、多尺度损伤，可显著降低构件的抗压强度和疲劳寿命等使用性能，给航天器结构的高可靠长寿命在轨服役带来极大的安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备方法，采用原子层沉积技术在高导热沥青基碳纤维表面均匀沉积纳米ZnO薄膜，不仅解决了高导热沥青基碳纤维易产生毛刺、撕裂和分层等现象导致复合材料性能降低的问题，还能增加高导热沥青基碳纤维与氰酸酯树脂基体的间界面结合强度，有效提高了复合材料力学性能和导热性，促进其在航天器领域的广泛应用。
为实现上述目的，本发明中一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料是按下述步骤进行的：
步骤一、ZnO改性高导热沥青基碳纤维的制备：
将高导热沥青基碳纤维放置于反应腔体内，抽真空至0.15Torr；
然后设置反应腔体和管道预热温度分别为150℃和120℃，锌源的载气量和脉冲时间分别设定13.8sccm和30ms，氧源的载气量和脉冲时间分别设定为13sccm和20ms，氮气清扫时间设定40s，设定反应时间和循环周期次数；
启动反应，通过原子层沉积技术在高导热沥青基碳纤维表面沉积纳米ZnO薄膜，反应完毕后获得ZnO改性高导热沥青基碳纤维；
步骤二、高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备：
将权利要求上述方法制备的ZnO改性高导热沥青基碳纤维放入模具中；
取氰酸酯树脂在100℃下恒温搅拌2h后，加入乙酰丙酮铝催化剂，搅拌均匀后在100℃下真空除气泡30min后得到树脂混合物A，先用部分树脂混合物A浸润ZnO改性高导热沥青基碳纤维，再将剩余的树脂混合物A倒入模具中，分段固化，得到高导热ZnO改性沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料。
进一步地限定，步骤一中所述锌源为氯化锌，所述氧源为臭氧。
进一步地限定，步骤一中所述反应时间为6～10s，循环周期次数为5～50次。
进一步地限定，步骤二中ZnO改性高导热沥青基碳纤维放入模具后，两段固定让其自然绷直。
进一步地限定，步骤二中ZnO改性高导热沥青基碳纤维的质量分数为50％～70％，氰酸酯树脂的质量分数为30％～50％。
进一步地限定，步骤二中所述乙酰丙酮铝催化剂用量占氰酸酯树脂的质量的0.5％～2.5％。
进一步地限定，步骤二中分段固化工艺为在140℃～160℃下固化1～2h，170℃～190℃下固化1h～2h，200℃～220℃下固化1h～2h。
与现有技术相比，本发明的有益效果:
采用氯化锌为锌源和臭氧为氧源，通过原子层沉积技术在高导热沥青基碳纤维表面沉积纳米ZnO薄膜，具有沉积温度低、厚度均匀可控的优点，能够有效改善高导热沥青基碳纤维易产生毛刺、撕裂和分层等多形态、多尺度损伤的问题；此外，利用臭氧对沥青基碳纤维的氧化作用使其表面产生活性基团，使得ZnO与沥青基碳纤维表面之间通过化学键合牢固结合，同时利用ZnO表面丰富的含氧极性基团能够有效改善高导热沥青基碳纤维与氰酸酯树脂基体间的界面结合强度，显著提高复合材料的力学性能和导热性能。
附图说明
图1是高导热沥青基碳纤维表面均匀沉积纳米ZnO薄膜SEM图；
图2是高导热沥青基碳纤维表面Zn元素EDS面谱图；
图3是高导热沥青基碳纤维表面O元素EDS面谱图；
图4是ZnO沉积循环周期次数对复合材料层间剪切强度的影响。
具体实施方式
实施例1：本实施例中高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料是按下述步骤进行的：
步骤一、ZnO改性高导热沥青基碳纤维制备：将高导热沥青基碳纤维放置于反应腔体内，抽真空至0.15Torr，将沉积腔体温度设定为150℃，将管道预热温度设定为120℃，采用氯化锌为锌源，臭氧为氧源，设定载气量分别设定为13.8sccm和13sccm，脉冲时间分别设定为30ms和20ms；源脉冲后反应时间设定为8s；氮气清扫时间设定40s，循环周期次数为20次，实现ZnO薄膜均匀沉积于高导热沥青基碳纤维表面，如图1-3所示，即获得ZnO改性高导热沥青基碳纤维。
步骤二、高导热ZnO改性沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备
将质量分数为60wt％的上述方法制备的ZnO改性高导热沥青基碳纤维放入模具中，两段固定让其自然绷直，然后称取40wt％的氰酸酯树脂在100℃下恒温搅拌1h后，加入占氰酸酯树脂质量的2.0wt％的乙酰丙酮铝催化剂，搅拌均匀后在100℃下真空除气泡30min后，得到树脂混合物A，先用少量树脂混合物A浸润ZnO改性高导热沥青基碳纤维，再将剩余的树脂混合物A倒入模具中，分段固化，在140℃下固化2h，170℃下固化2h，200℃下固化2h，得到高导热ZnO改性沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料。
对本实施例制备的高导热ZnO改性沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料进行导热系数测试，其单向面内导热系数200W/(m·K)。
本实施例中ZnO沉积循环周期次数为20次时制备的高导热ZnO改性沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料层间剪切强度为70.2MPa，达到最大值，较ZnO未改性沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料层间剪切强度(62.1MPa)提高了13％，如图4所示。

Claims (5)

1.一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备方法，其特征在于高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：
步骤一、将高导热沥青基碳纤维放置于反应腔体内，抽真空至0.15 Torr；
然后设置反应腔体和管道预热温度，锌源的载气量和脉冲时间分别设定为13.8sccm和30ms，氧源的载气量和脉冲时间分别设定为13sccm和20ms，氮气清扫时间设定40s，设定反应时间和循环周期次数；启动反应，通过原子层沉积技术在高导热沥青基碳纤维表面沉积纳米ZnO薄膜，反应完毕后获得ZnO改性高导热沥青基碳纤维；
步骤二、将步骤一获得的ZnO改性高导热沥青基碳纤维放入模具中；
取氰酸酯树脂在100℃下恒温搅拌2h后，加入乙酰丙酮铝催化剂，搅拌均匀后在100℃下真空除气泡30min后得到树脂混合物A，先用部分树脂混合物A浸润ZnO改性高导热沥青基碳纤维，再将剩余的树脂混合物A倒入模具中，分段固化，得到高导热ZnO改性沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料；
其中，步骤一中所述氧源为臭氧；
步骤一中所述反应时间为8s，循环周期次数为20次；
步骤一中所述锌源为氯化锌；
步骤二中ZnO改性沥青基碳纤维的质量分数为60%，氰酸酯树脂的质量分数为40%。
2.根据权利要求1所述的一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中ZnO改性高导热沥青基碳纤维放入模具后，两段固定让其自然绷直。
3.根据权利要求1所述的一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述乙酰丙酮铝催化剂用量占氰酸酯树脂的质量的0.5%~2.5%。
4.根据权利要求1所述的一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中分段固化工艺为在140℃~160℃下固化1h~2h，170℃~190℃下固化1h~2h，200℃～220℃下固化1h～2h。
5.根据权利要求1所述的一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中分段固化工艺为在140℃下固化2h，170℃下固化2h，200℃下固化2h。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101423618A (zh) * 2008-12-19 2009-05-06 中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院 一种刚性三维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备方法
US9120908B2 (en) * 2010-03-26 2015-09-01 University Of Hawaii Nanomaterial-reinforced resins and related materials
CN105195238A (zh) * 2015-10-10 2015-12-30 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种分子层沉积制备金属-氧化物复合纳米催化剂的方法
CN105903480A (zh) * 2016-05-18 2016-08-31 中国科学院山西煤炭化学研究所 一步制氢-加氢耦合反应的双界面催化剂的制法及催化剂应用
CN107641310A (zh) * 2017-07-17 2018-01-30 常州中英科技股份有限公司 一种高导热聚苯醚基覆铜板及其制备方法
CN107825810A (zh) * 2017-09-04 2018-03-23 中航复材（北京）科技有限公司 一种轻质雷击防护表面层及其制备和使用方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101423618A (zh) * 2008-12-19 2009-05-06 中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院 一种刚性三维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备方法
US9120908B2 (en) * 2010-03-26 2015-09-01 University Of Hawaii Nanomaterial-reinforced resins and related materials
CN105195238A (zh) * 2015-10-10 2015-12-30 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种分子层沉积制备金属-氧化物复合纳米催化剂的方法
CN105903480A (zh) * 2016-05-18 2016-08-31 中国科学院山西煤炭化学研究所 一步制氢-加氢耦合反应的双界面催化剂的制法及催化剂应用
CN107641310A (zh) * 2017-07-17 2018-01-30 常州中英科技股份有限公司 一种高导热聚苯醚基覆铜板及其制备方法
CN107825810A (zh) * 2017-09-04 2018-03-23 中航复材（北京）科技有限公司 一种轻质雷击防护表面层及其制备和使用方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Synthesis and characterization of self-assembled ZnO nanoarrays on hybrid structural fibers》;Wang Jingyu等;《Surfaces and Interfaces》;20181022;第16卷;摘要、前言部分、第2.2节 *
《与沥青基碳纤维相匹配树脂体系及其导热性能研究》;钱志英;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)工程科技Ⅰ辑》;20140315(第03期);摘要、第4.4节 *

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