CN112301296B - 一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法 - Google Patents

一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112301296B
CN112301296B CN202010817923.1A CN202010817923A CN112301296B CN 112301296 B CN112301296 B CN 112301296B CN 202010817923 A CN202010817923 A CN 202010817923A CN 112301296 B CN112301296 B CN 112301296B
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon
aluminum
fiber
skin
carbon material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010817923.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112301296A (zh
Inventor
徐巍峰
朱培红
季伟
吴建灵
王文军
初金良
黄俊杰
孟繁东
潘明华
韩怡秋
邵明亮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guizhou Shengzhan New Material Technology Co ltd
Lishui Qiaomei Electric Power Industry Group Co ltd
Lishui Zhengyang Electric Power Construction Co ltd
Lishui Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Original Assignee
Guizhou Shengzhan New Material Technology Co ltd
Lishui Qiaomei Electric Power Industry Group Co ltd
Lishui Zhengyang Electric Power Construction Co ltd
Lishui Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guizhou Shengzhan New Material Technology Co ltd, Lishui Qiaomei Electric Power Industry Group Co ltd, Lishui Zhengyang Electric Power Construction Co ltd, Lishui Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd filed Critical Guizhou Shengzhan New Material Technology Co ltd
Priority to CN202010817923.1A priority Critical patent/CN112301296B/zh
Publication of CN112301296A publication Critical patent/CN112301296A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112301296B publication Critical patent/CN112301296B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/02—Pretreatment of the fibres or filaments
    • C22C47/04—Pretreatment of the fibres or filaments by coating, e.g. with a protective or activated covering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/20—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by subjecting to pressure and heat an assembly comprising at least one metal layer or sheet and one layer of fibres or filaments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C49/00—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C49/02—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the matrix material
    • C22C49/04—Light metals
    • C22C49/06—Aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C49/00—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C49/14—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the fibres or filaments

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Fibers (AREA)
  • Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)
  • Multicomponent Fibers (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

本发明涉及铝合金制备技术领域，公开了一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法，包括以下步骤：（1）将碳材料与表面活性剂水溶液混合后，干燥，获得包覆有表面活性剂的碳材料；（2）将包覆有表面活性剂的碳材料分散到有机树脂中，制成涂料；（3）将涂料均匀喷涂于经过喷砂的铝片表面，固化成型，获得涂覆有碳材料涂层的铝片；（4）将多块涂覆有碳材料涂层的铝片堆垛在一起，经热压处理后，获得碳改性铝基复合材料。本发明的方法操作简单，能耗较低，对设备的要求小，生产成本较低，并能使碳材料均匀分散在铝片之间，同时改善两者之间的界面结合，使制得的复合材料具有更好的导热性能。

Description

一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法
技术领域
本发明涉及铝合金制备技术领域，尤其涉及一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法。
背景技术
铝型材散热器具有外型美观、重量轻、散热性能好，节能效果好等特点，被广泛应用于机械、汽车、风力发电、工程机械、空压机、铁路机车、家用电器等行业领域。随着现代电子信息技术及制造技术的快速发展，电子系统及设备向着大规模集成化小型化、轻量化及高功率等方向发展，这无疑给电子系统及设备的散热带来了严峻挑战，开展高导热铝合金的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。
碳改性铝基复合材料是以碳纤维、碳纳米管等碳材料为增强体，以铝或铝合金为基体的一类复合材料的统称，通过添加高热导率的碳材料，能显著提升复合材料的导热性能。不过，由于碳材料与铝基体之间界面结合困难，导致界面热阻较大，对复合材料的导热性能造成了较大的限制。
公开号为CN107313102B的中国专利文献公开了一种铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，包括以下步骤：(1)在无水乙醇溶液中加入等量石墨烯、碳纳米管粉末和铝盐，并且用超声波分散获得均匀分散的石墨烯、碳纳米管的混合电泳液；(2)采用铝基薄片，用稀硝酸、去离子水、无水乙醇和超声波进行表面处理后，当作阴极；(3)以石墨片为阳极，把阴极和阳极一起浸没在混合电泳液中进行电泳沉积；(4)将铝基薄片从一端起多层叠放，并冷压成型，用另一端将压制成型的样品外面裹一圈并且焊接固定于其侧面，然后在氮气气氛下退火处理，从而得到铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料。该方法通过超声处理来使石墨烯和碳纳米管在无水乙醇中的分散，再通过电泳的方式使石墨烯和碳纳米管在铝片表面沉积，步骤繁琐且能耗较大，且电泳沉积的过程易出现边缘效应，由于极板边缘的电流密度比中间大，导致铝片边缘位置沉积的石墨烯和碳纳米管较多，影响复合材料的性能；此外，冷压成型的方式会导致界面结合差，影响复合材料的导热性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法。该方法能使碳材料均匀分散在铝片之间，并能改善两者之间的界面结合，从而提高复合材料的导热性能，且操作简单，能耗较低。
本发明的具体技术方案为：
一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)将碳材料与表面活性剂水溶液混合后，干燥，获得包覆有表面活性剂的碳材料；
(2)将包覆有表面活性剂的碳材料分散到有机树脂中，制成涂料；
(3)将涂料均匀喷涂于经过喷砂的铝片表面，固化成型，获得涂覆有碳材料涂层的铝片；
(4)将多块涂覆有碳材料涂层的铝片堆垛在一起，经热压处理后，获得碳改性铝基复合材料。
本发明通过在碳材料表面包覆表面活性剂，使碳材料之间形成静电排斥，从而解决粒径较小的碳材料在有机树脂中团聚的问题，促进碳材料均匀分散到有机树脂中；而后通过将涂料喷涂到铝片表面，即可实现碳材料在铝片表面的均匀分布。通过这种方式实现碳材料在铝片之间的分散，操作简单，能耗较低，对设备的要求小，生产成本较低，且碳材料在铝片表面的分布不会存在明显的分区，热量在复合材料各位置的传导均一，复合材料的导热性能较好；此外，这种方式还能最大限度地避免对碳材料尤其是碳纳米管的结构造成破坏，能更好地发挥碳材料本身的理化性能，提高复合材料的导热性能。
本发明采用堆垛热压法将复合材料压制成型，能促进碳材料与铝基体之间的界面结合，从而减小界面热阻，使复合材料具有更好的导热性能。
作为优选，步骤(1)中，所述碳材料为碳纳米管和/或短碳纤维；所述短碳纤维的长度为30～50μm，直径为4～7μm。
作为优选，步骤(1)中，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠，或者为脂肪胺、聚氧乙烯脂肪胺、季铵盐、聚氧乙烯季铵盐中的至少一种。
作为优选，步骤(1)中，所述表面活性剂水溶液的质量分数为5～50wt.％。
作为优选，步骤(2)中，所述有机树脂为环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂中的至少一种。
作为优选，步骤(2)中的有机树脂的质量为步骤(1)中碳材料质量的1～10倍。
作为优选，步骤(3)中，碳材料涂层的厚度为50～100μm。
作为优选，步骤(3)中，所述铝片的厚度为100～1000μm。
作为优选，步骤(3)中，所述固化成型的温度为25～150℃。
作为优选，步骤(4)中，堆垛的铝片数量为10～50片。
作为优选，步骤(4)中，所述热压处理的温度为100～600℃。
作为优选，步骤(4)中，所述热压处理的压力为50～100Mpa。
作为优选，所述短碳纤维为皮芯结构短碳纤维，包括芯部和包裹在芯部外的皮层；所述芯部为碳，皮层为碳/铝复合材料。
通过将短碳纤维设计成皮芯结构，以铝/碳复合材料皮层作为碳芯部与铝基体之间的过渡层，能提高短碳纤维与铝基体之间的相容性，改善两者之间的界面结合，从而降低复合材料的界面热阻，提高其导热性。此外，皮芯结构短碳纤维中保留碳芯部的设计，能充分利用碳纤维优良的导热性能，提高复合材料的热导率。
作为优选，所述芯部的直径为3～5μm，皮层的厚度为1～2μm；所述皮芯结构短碳纤维的制备方法如下：
(A)将聚丙烯腈原液进行湿法纺丝，获得初生纤维；
(B)在180～300℃、空气气氛中，对初生纤维进行预氧化，获得预氧化丝；
(C)将预氧化丝浸入质量比为1:3.5～4.5的铝溶胶与聚丙烯腈原液的混合液中，浸渍 40～45min，获得包覆有铝溶胶和聚丙烯腈的碳纤维；
(D)在180～300℃、空气气氛中，对包覆有铝溶胶和聚丙烯腈的碳纤维进行预氧化，获得皮芯结构预氧化丝；
(E)在300～600℃、氮气气氛中，对皮芯结构预氧化丝进行低温碳化，获得低温碳化丝；
(F)在900～1300℃、氮气气氛下，对低温碳化丝进行高温碳化，获得高温碳化丝；
(G)电解：将高温碳化丝铺在电解槽底部，作为阴极，以碳素材料为阳极，以熔融冰晶石为电解质，进行电解；电解完成后，取出高温碳化丝，冷却后获得皮芯结构碳纤维；
(H)切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得皮芯结构短碳纤维。
以上步骤采用聚丙烯腈基碳纤维，并通过以下机制在碳芯部外包裹铝/碳复合材料皮层：在初生纤维预氧化后，通过浸渍涂层法在初生纤维外包覆铝溶胶与聚丙烯腈的混合层；在后续预氧化的过程中，外层混合层中的聚丙烯腈经历环化、脱氢、氧化等反应，形成沿轴向取向的、刚性的、稳定的梯形高分子质量聚合物结构，同时，外层的铝溶胶也干燥固化；碳化处理后，通过电解，使外层的氧化铝转化为铝，从而获得铝/碳复合材料皮层。电解的具体过程如下：碳纤维外层的氧化铝与熔融冰晶石中的AlF6 3-反应生成Al2OF6 2-，Al2OF6 2-进入电解质中，在碳纤维外层形成孔隙，AlF6 3-在阴极被还原成铝，以铝液的形式填充到碳纤维外层的孔隙中，冷却后即可获得芯部为碳纤维、皮层为铝/碳复合材料的皮芯结构碳纤维。电解时，阳极生成二氧化碳，可通过阳极是否有气泡冒出来判断电解是否完成。
步骤(B)中，采用铝溶胶而不直接采用铝单质的原因在于，铝单质的熔点较低(660℃)，在高温碳化时会因熔化而流失，而铝溶胶中的铝以氧化铝的形式存在，氧化铝熔点高达 2054℃，在高温碳化时仍能稳定存在。此外，铝溶胶的多孔性使其能在皮层形成一个多孔骨架，提高皮层中铝与碳材料的接触面积，从而更好地改善复合材料中碳纤维与铝基体之间的相容性。
进一步地，所述皮层包括由内到外铝含量依次增大的内层、中层和外层；所述芯部的直径为2～4μm，内层、中层、外层的厚度均为0.5～1μm；所述皮芯结构短碳纤维的制备方法如下：
(a)将聚丙烯腈原液进行湿法纺丝，获得初生纤维；
(b)在180～300℃、空气气氛中，对初生纤维进行预氧化，获得预氧化丝；
(c)将预氧化丝浸入质量比为1:4.5～6.5的铝溶胶与聚丙烯腈原液的混合液中，浸渍 25～30min，取出后在180～300℃、空气气氛中进行预氧化，获得包覆有内层的预氧化丝；
(d)将步骤(c)中的铝溶胶与聚丙烯腈原液的质量比换成1:3.5～4.5和1:2～3.5，重复步骤(c)，依次包覆上中层和外层，获得皮芯结构预氧化丝；
(e)在300～600℃、氮气气氛中，对皮芯结构预氧化丝进行低温碳化，获得低温碳化丝；
(f)在900～1300℃、氮气气氛下，对低温碳化丝进行高温碳化，获得高温碳化丝；
(g)电解：将高温碳化丝铺在电解槽底部，作为阴极，以碳素材料为阳极，以熔融冰晶石为电解质，进行电解；电解完成后，取出高温碳化丝，冷却后获得皮芯结构碳纤维；
(h)切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得皮芯结构短碳纤维。
通过重复浸渍、预氧化的步骤，在碳芯部外包裹三层铝/碳复合材料，并使内层到外层铝含量依次增大，通过这种梯度过渡，能进一步提高芯部、皮层和铝基体之间的相容性，改善短碳纤维与铝基体之间的界面结合，从而提高复合材料的抗拉强度和导热性。
作为优选，步骤(A)或步骤(a)中，所述聚丙烯腈原液通过以下方法制备：将丙烯腈、马来酸酐、衣康酸溶于二甲基甲酰胺中，加入偶氮二异丁腈，在55～65℃下反应8～10h，制得聚丙烯腈原液；所述丙烯腈、马来酸酐、衣康酸的质量比为95～100:0.5～0.7:1.2～1.5，丙烯腈、马来酸酐、衣康酸在二甲基甲酰胺中的总质量分数为25～30％；所述偶氮二异丁腈在二甲基甲酰胺中的质量分数为0.6～0.8％。
作为优选，步骤(B)或步骤(D)或步骤(b)或步骤(c)中，所述预氧化的时间为 30～40min。
作为优选，步骤(E)或步骤(e)中，所述低温碳化的时间为15～25min。
作为优选，步骤(F)或步骤(f)中，所述低温碳化的时间为3～5min。
作为优选，步骤(G)或步骤(g)中，阴极与熔融冰晶石的质量比为1:2～2.5。
作为优选，步骤(G)或步骤(g)中，电解的电压为3.5～4.5V。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过将碳材料包覆表面活性剂后分散到有机树脂中制成涂料，再喷涂到铝片表面，实现碳材料在铝片表面的均匀分布，操作简单，能耗较低，对设备的要求小，生产成本较低，且碳材料在铝片表面的分布不会存在明显的分区，能提高复合材料的导热性能；
(2)采用堆垛热压法能促进碳材料与铝基体之间的界面结合，提高复合材料的导热性能；
(3)采用皮芯结构短碳纤维，能提高碳材料与铝基体之间的相容性，进一步提高复合材料的导热性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
总实施例
一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)将碳材料与质量分数为5～50wt.％的表面活性剂水溶液混合后，干燥，获得包覆有表面活性剂的碳材料；所述碳材料为碳纳米管和/或短碳纤维；所述短碳纤维的长度为30～50μm，直径为4～7μm；所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠，或者为脂肪胺、聚氧乙烯脂肪胺、季铵盐、聚氧乙烯季铵盐中的至少一种；
(2)将包覆有表面活性剂的碳材料分散到有机树脂中，制成涂料；所述有机树脂为环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂中的至少一种；所述有机树脂的质量为步骤(1)中碳材料质量的 1～10倍；
(3)将涂料均匀喷涂于经过喷砂的厚度为100～1000μm的铝片表面，固化成型，获得涂覆有碳材料涂层的铝片，碳材料涂层的厚度为50～100μm；
(4)将10～50片涂覆有碳材料涂层的铝片堆垛在一起，经100～600℃、50～100Mpa热压处理后，获得碳改性铝基复合材料。
可选地，步骤(1)中，所述碳材料为长度为30～50μm、直径为4～7μm的皮芯结构短碳纤维，包括芯部和包裹在芯部外的皮层；所述芯部为碳，直径为3～5μm；所述皮层为碳/铝复合材料，厚度为1～2μm。所述皮芯结构短碳纤维的制备方法如下：
(A)将丙烯腈、马来酸酐、衣康酸溶于二甲基甲酰胺中，加入偶氮二异丁腈，在55～65℃下反应8～10h，制得聚丙烯腈原液；所述丙烯腈、马来酸酐、衣康酸的质量比为 95～100:0.5～0.7:1.2～1.5，丙烯腈、马来酸酐、衣康酸在二甲基甲酰胺中的总质量分数为 25～30％；所述偶氮二异丁腈在二甲基甲酰胺中的质量分数为0.6～0.8％；
(B)将聚丙烯腈原液进行湿法纺丝，获得初生纤维；
(C)在180～300℃、空气气氛中，将初生纤维预氧化30～40min，获得预氧化丝；
(D)将预氧化丝浸入质量比为1:3.5～4.5的铝溶胶与聚丙烯腈原液的混合液中，浸渍 40～45min，获得包覆有铝溶胶和聚丙烯腈的碳纤维；
(E)在180～300℃、空气气氛中，将包覆有铝溶胶和聚丙烯腈的碳纤维预氧化30～40min，获得皮芯结构预氧化丝；
(F)在300～600℃、氮气气氛中，将皮芯结构预氧化丝低温碳化15～25min，获得低温碳化丝；
(G)在900～1300℃、氮气气氛下，将低温碳化丝高温碳化3～5min，获得高温碳化丝；
(H)电解：将高温碳化丝铺在电解槽底部，作为阴极，以碳素材料为阳极，以熔融冰晶石为电解质，阴极与熔融冰晶石的质量比为1:2～2.5，在3.5～4.5V电压下进行电解；电解完成后，取出高温碳化丝，冷却后获得皮芯结构碳纤维；
(I)切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得皮芯结构短碳纤维。
可选地，步骤(1)中，所述碳材料为长度为30～50μm、直径为4～7μm的皮芯结构短碳纤维，包括芯部和包裹在芯部外的皮层；所述芯部为碳，直径为2～4μm；所述皮层为碳/铝复合材料，包括由内到外铝含量依次增大的内层、中层和外层，内层、中层、外层的厚度均为0.5～1μm。所述皮芯结构短碳纤维的制备方法如下：
(a)将丙烯腈、马来酸酐、衣康酸溶于二甲基甲酰胺中，加入偶氮二异丁腈，在55～65℃下反应8～10h，制得聚丙烯腈原液；所述丙烯腈、马来酸酐、衣康酸的质量比为 95～100:0.5～0.7:1.2～1.5，丙烯腈、马来酸酐、衣康酸在二甲基甲酰胺中的总质量分数为 25～30％；所述偶氮二异丁腈在二甲基甲酰胺中的质量分数为0.6～0.8％；
(b)将聚丙烯腈原液进行湿法纺丝，获得初生纤维；
(c)在180～300℃、空气气氛中，将初生纤维预氧化30～40min，获得预氧化丝；
(d)将预氧化丝浸入质量比为1:4.5～6.5的铝溶胶与聚丙烯腈原液的混合液中，浸渍 25～30min，取出后在180～300℃、空气气氛中预氧化30～40min，获得包覆有内层的预氧化丝；
(e)将步骤(d)中的铝溶胶与聚丙烯腈原液的质量比换成1:3.5～4.5和1:2～3.5，重复步骤(d)，依次包覆上中层和外层，获得皮芯结构预氧化丝；
(f)在300～600℃、氮气气氛中，将皮芯结构预氧化丝低温碳化15～25min，获得低温碳化丝；
(g)在900～1300℃、氮气气氛下，将低温碳化丝高温碳化3～5min，获得高温碳化丝；
(h)电解：将高温碳化丝铺在电解槽底部，作为阴极，以碳素材料为阳极，以熔融冰晶石为电解质，阴极与熔融冰晶石的质量比为1:2～2.5，在3.5～4.5V电压下进行电解；电解完成后，取出高温碳化丝，冷却后获得皮芯结构碳纤维；
(i)切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得皮芯结构短碳纤维。
实施例1
一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)将碳纳米管与质量分数为25wt.％的十二烷基硫酸钠水溶液混合后，干燥，获得包覆有表面活性剂的碳材料；
(2)将包覆有表面活性剂的碳材料分散到丙烯酸树脂中，制成涂料；丙烯酸树脂的质量为步骤(1)中碳材料质量的5倍；
(3)将涂料均匀喷涂于经过喷砂的厚度为200μm的铝片表面，于室温下自然固化成型，获得涂覆有碳材料涂层的铝片，碳材料涂层的厚度为75μm；
(4)将30片涂覆有碳材料涂层的铝片堆垛在一起，经500℃、80Mpa热压处理后，获得碳改性铝基复合材料。
实施例2
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(1)中的碳材料为长度为30μm、直径为5μm的短碳纤维。
实施例3
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(1)中的表面活性剂为十八烷基伯胺。
实施例4
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(1)中的表面活性剂为脂肪胺聚氧乙烯醚。
实施例5
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(1)中的表面活性剂为十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐。
实施例6
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(3)中的铝片厚度为400μm。
实施例7
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(3)中的铝片厚度为600μm。
实施例8
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(3)中的铝片厚度为800μm。
实施例9
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(3)中的固化温度为50℃。
实施例10
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(3)中的固化温度为100℃。
实施例11
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(3)中的固化温度为150℃。
实施例12
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(3)中的铝片数量为10片。
实施例13
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(3)中的铝片数量为20片。
实施例14
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(3)中的铝片数量为40片。
实施例15
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(4)中热压温度为100℃。
实施例16
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(4)中热压温度为300℃。
实施例17
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤(4)中热压温度为600℃。
实施例18
按照实施例2的步骤制备，与实施例2的不同点在于，所述短碳纤维为皮芯结构短碳纤维，包括芯部和包裹在芯部外的皮层；所述芯部为碳，直径为3.5μm；所述皮层为碳/铝复合材料，厚度为1.5μm。所述皮芯结构短碳纤维的制备方法如下：
(A)将丙烯腈、马来酸酐、衣康酸溶于二甲基甲酰胺中，加入偶氮二异丁腈，在60℃下反应8h，制得聚丙烯腈原液；所述丙烯腈、马来酸酐、衣康酸的质量比为97:0.6:1.4，丙烯腈、马来酸酐、衣康酸在二甲基甲酰胺中的总质量分数为28％；所述偶氮二异丁腈在二甲基甲酰胺中的质量分数为0.7％；
(B)将聚丙烯腈原液进行湿法纺丝，获得初生纤维；
(C)在230℃、空气气氛中，将初生纤维预氧化35min，获得预氧化丝；
(D)将预氧化丝浸入质量比为1:4的铝溶胶与聚丙烯腈原液的混合液中，浸渍43min，获得包覆有铝溶胶和聚丙烯腈的碳纤维；
(E)在230℃、空气气氛中，将包覆有铝溶胶和聚丙烯腈的碳纤维预氧化35min，获得皮芯结构预氧化丝；
(F)在450℃、氮气气氛中，将皮芯结构预氧化丝低温碳化20min，获得低温碳化丝；
(G)在1200℃、氮气气氛下，将低温碳化丝高温碳化4min，获得高温碳化丝；
(H)电解：将高温碳化丝铺在电解槽底部，作为阴极，以碳素材料为阳极，以熔融冰晶石为电解质，阴极与熔融冰晶石的质量比为1:2，在4V电压下进行电解；电解完成后，取出高温碳化丝，冷却后获得皮芯结构碳纤维；
(I)切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得皮芯结构短碳纤维。
实施例19
按照实施例2的步骤制备，与实施例2的不同点在于，所述短碳纤维为皮芯结构短碳纤维，包括芯部和包裹在芯部外的皮层；所述芯部为碳，直径为3.5μm；所述皮层为碳/铝复合材料，包括由内到外铝含量依次增大的内层、中层和外层，内层、中层、外层的厚度均为0.5μm。所述皮芯结构短碳纤维的制备方法如下：
(a)将丙烯腈、马来酸酐、衣康酸溶于二甲基甲酰胺中，加入偶氮二异丁腈，在60℃下反应8h，制得聚丙烯腈原液；所述丙烯腈、马来酸酐、衣康酸的质量比为97:0.6:1.4，丙烯腈、马来酸酐、衣康酸在二甲基甲酰胺中的总质量分数为28％；所述偶氮二异丁腈在二甲基甲酰胺中的质量分数为0.7％；
(b)将聚丙烯腈原液进行湿法纺丝，获得初生纤维；
(c)在230℃、空气气氛中，将初生纤维预氧化35min，获得预氧化丝；
(d)将预氧化丝浸入质量比为1:5.5的铝溶胶与聚丙烯腈原液的混合液中，浸渍25min，取出后在230℃、空气气氛中预氧化35min，获得包覆有内层的预氧化丝；
(e)将步骤(d)中的铝溶胶与聚丙烯腈原液的质量比换成1:4和1:2.5，重复步骤(d)，依次包覆上中层和外层，获得皮芯结构预氧化丝；
(f)在450℃、氮气气氛中，将皮芯结构预氧化丝低温碳化20min，获得低温碳化丝；
(g)在1200℃、氮气气氛下，将低温碳化丝高温碳化4min，获得高温碳化丝；
(h)电解：将高温碳化丝铺在电解槽底部，作为阴极，以碳素材料为阳极，以熔融冰晶石为电解质，阴极与熔融冰晶石的质量比为1:2，在4V电压下进行电解；电解完成后，取出高温碳化丝，冷却后获得皮芯结构碳纤维；
(i)切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得皮芯结构短碳纤维。
对实施例1～19所制得的碳改性铝基复合材料的导热性能进行测试，测试结果如表1 所示。
表1实施例1～19产品的导热性能
样品 热导率(W/m·K)
实施例1 600
实施例2 562
实施例3 531
实施例4 536
实施例5 573
实施例6 586
实施例7 513
实施例8 532
实施例9 557
实施例10 567
实施例11 545
实施例12 578
实施例13 574
实施例14 568
实施例15 534
实施例16 539
实施例17 510
实施例18 739
实施例19 801
实施例2～17 分别在实施例1的基础上改变了碳材料的种类、铝片厚度、固化温度、铝片数量、热压温度中的一个，对比实施例2～17 制得的复合材料的测试结果，发现采用实施例1中的工艺参数所得到的铝合金的热导率可以达到600W/m·K，均优于其他各实施例。因此，可选用实施例1中的配方和工艺参数作为最优选择。
实施例18在实施例2的基础上，采用芯部为碳、皮层为碳/铝复合材料的皮芯结构碳短纤维，制得的复合材料的热导率显著提高，原因在于：铝/碳复合材料皮层作为碳芯部与铝基体之间的过渡层，能提高短碳纤维与铝基体之间的相容性，改善两者之间的界面结合，从而降低复合材料的界面热阻，提高其导热性。
实施例19在实施例18的基础上，将皮层制成由内向外铝含量依次增大的三层结构，制得的复合材料的热导率显著提高，原因在于：通过皮层内层、中层、外层铝含量的梯度过渡，能进一步提高芯部、皮层和铝基体之间的相容性，改善短碳纤维与铝基体之间的界面结合，从而提高复合材料的抗拉强度和导热性。
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将碳材料与表面活性剂水溶液混合后，干燥，获得包覆有表面活性剂的碳材料；
（2）将包覆有表面活性剂的碳材料分散到有机树脂中，制成涂料；
（3）将涂料均匀喷涂于经过喷砂的铝片表面，固化成型，获得涂覆有碳材料涂层的铝片；
（4）将多块涂覆有碳材料涂层的铝片堆垛在一起，经热压处理后，获得碳改性铝基复合材料；
步骤（1）中，所述碳材料为皮芯结构短碳纤维，包括芯部和包裹在芯部外的皮层；所述芯部为碳，皮层为碳/铝复合材料；所述芯部的直径为3~5μm，皮层的厚度为1~2μm；所述皮芯结构短碳纤维的制备方法如下：
（A）将聚丙烯腈原液进行湿法纺丝，获得初生纤维；
（B）在180～300℃、空气气氛中，对初生纤维进行预氧化，获得预氧化丝；
（C）将预氧化丝浸入质量比为1:3.5~4.5的铝溶胶与聚丙烯腈原液的混合液中，浸渍40~45min，获得包覆有铝溶胶和聚丙烯腈的碳纤维；
（D）在180～300℃、空气气氛中，对包覆有铝溶胶和聚丙烯腈的碳纤维进行预氧化，获得皮芯结构预氧化丝；
（E）在300~600℃、氮气气氛中，对皮芯结构预氧化丝进行低温碳化，获得低温碳化丝；
（F）在900~1300℃、氮气气氛下，对低温碳化丝进行高温碳化，获得高温碳化丝；
（G）电解：将高温碳化丝铺在电解槽底部，作为阴极，以碳素材料为阳极，以熔融冰晶石为电解质，进行电解；电解完成后，取出高温碳化丝，冷却后获得皮芯结构碳纤维；
（H）切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得皮芯结构短碳纤维。
2.如权利要求1所述的一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法，其特征在于，所述皮芯结构短碳纤维的长度为30~50μm，直径为4~7μm。
3.如权利要求1所述的一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法，其特征在于：
步骤（1）中，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠，或者为脂肪胺、聚氧乙烯脂肪胺、季铵盐、聚氧乙烯季铵盐中的至少一种；和/或
步骤（1）中，所述表面活性剂水溶液的质量分数为5~50wt.%；和/或
步骤（2）中，所述有机树脂为环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂中的至少一种。
4.如权利要求1所述的一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤（2）中的有机树脂的质量为步骤（1）中碳材料质量的1~10倍。
5.如权利要求1所述的一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法，其特征在于：
步骤（3）中，碳材料涂层的厚度为50~100μm；和/或
步骤（3）中，所述铝片的厚度为100~1000μm。
6.如权利要求1所述的一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤（4）中，堆垛的铝片数量为10~50片。
7.如权利要求1所述的一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法，其特征在于：
步骤（4）中，所述热压处理的温度为100~600℃；和/或
步骤（4）中，所述热压处理的压力为50~100Mpa。
8.一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将碳材料与表面活性剂水溶液混合后，干燥，获得包覆有表面活性剂的碳材料；
（2）将包覆有表面活性剂的碳材料分散到有机树脂中，制成涂料；
（3）将涂料均匀喷涂于经过喷砂的铝片表面，固化成型，获得涂覆有碳材料涂层的铝片；
（4）将多块涂覆有碳材料涂层的铝片堆垛在一起，经热压处理后，获得碳改性铝基复合材料；
步骤（1）中，所述碳材料为皮芯结构短碳纤维，包括芯部和包裹在芯部外的皮层；所述芯部为碳，皮层为碳/铝复合材料；所述皮层包括由内到外铝含量依次增大的内层、中层和外层；所述芯部的直径为2~4μm，内层、中层、外层的厚度均为0.5~1μm；所述皮芯结构短碳纤维的制备方法如下：
（a）将聚丙烯腈原液进行湿法纺丝，获得初生纤维；
（b）在180～300℃、空气气氛中，对初生纤维进行预氧化，获得预氧化丝；
（c）将预氧化丝浸入质量比为1:4.5~6.5的铝溶胶与聚丙烯腈原液的混合液中，浸渍25~30min，取出后在180～300℃、空气气氛中进行预氧化，获得包覆有内层的预氧化丝；
（d）将步骤（c）中的铝溶胶与聚丙烯腈原液的质量比换成1:3.5~4.5和1:2~3.5，重复步骤（c），依次包覆上中层和外层，获得皮芯结构预氧化丝；
（e）在300~600℃、氮气气氛中，对皮芯结构预氧化丝进行低温碳化，获得低温碳化丝；
（f）在900~1300℃、氮气气氛下，对低温碳化丝进行高温碳化，获得高温碳化丝；
（g）电解：将高温碳化丝铺在电解槽底部，作为阴极，以碳素材料为阳极，以熔融冰晶石为电解质，进行电解；电解完成后，取出高温碳化丝，冷却后获得皮芯结构碳纤维；
（h）切断：对皮芯结构碳纤维进行径向切断，获得皮芯结构短碳纤维。
CN202010817923.1A 2020-08-14 2020-08-14 一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法 Active CN112301296B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010817923.1A CN112301296B (zh) 2020-08-14 2020-08-14 一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010817923.1A CN112301296B (zh) 2020-08-14 2020-08-14 一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112301296A CN112301296A (zh) 2021-02-02
CN112301296B true CN112301296B (zh) 2022-03-25

Family

ID=74483689

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010817923.1A Active CN112301296B (zh) 2020-08-14 2020-08-14 一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112301296B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1834280A (zh) * 2006-04-21 2006-09-20 哈尔滨工业大学 碳纳米管增强铝基复合材料及其真空热压制备方法
CN101057003A (zh) * 2004-11-09 2007-10-17 岛根县 金属基碳纤维复合材料及其制造方法
CN103243280A (zh) * 2013-04-28 2013-08-14 河南科技大学 一种碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法
JP5363418B2 (ja) * 2010-05-17 2013-12-11 日精樹脂工業株式会社 高熱伝導性複合材料の製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101057003A (zh) * 2004-11-09 2007-10-17 岛根县 金属基碳纤维复合材料及其制造方法
CN1834280A (zh) * 2006-04-21 2006-09-20 哈尔滨工业大学 碳纳米管增强铝基复合材料及其真空热压制备方法
JP5363418B2 (ja) * 2010-05-17 2013-12-11 日精樹脂工業株式会社 高熱伝導性複合材料の製造方法
CN103243280A (zh) * 2013-04-28 2013-08-14 河南科技大学 一种碳纤维增强铝基复合材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112301296A (zh) 2021-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110512459B (zh) 一种用于燃料电池的高性能碳纸及其制备方法与应用
US11167991B2 (en) Method for preparing carbon nanotube/polymer composite
TWI279471B (en) Method for manufacturing carbon fiber paper and construction thereof
CN112574468B (zh) 具有多层次连续网络结构的导热高分子复合材料及制备方法
CN211980774U (zh) 燃料电池气体扩散层和燃料电池
CN113480328B (zh) 一种大尺度石墨烯导热卷膜及其制备方法
CN111900417B (zh) 一种高碳含量燃料电池气体扩散层用碳纸的制备方法
CN112111665B (zh) 一种真空压力浸渗法制备碳改性铝合金复合材料的方法
CN111129555A (zh) 一种强韧性高导电型质子交换膜电池用碳纸材料
CN112301296B (zh) 一种堆垛热压法制备碳改性铝基复合材料的方法
CN107675488A (zh) 一种石墨烯‑碳化硅纤维复合材料及其制备方法
CN111146468B (zh) 一种燃料电池气体扩散层的多孔碳膜及其制备方法
KR100997418B1 (ko) 탄소나노튜브와 탄소의 복합체를 갖는 연료전지용 기체확산층의 제조 방법
CN111394991A (zh) 一种基于等离子技术的碳纤维表面接枝碳纳米管的方法
CN111172624A (zh) 一种碳/硅杂化纤维的制备方法及碳硅杂化纤维
CN113690457B (zh) 一种燃料电池用纺丝溶液及其碳纸的制备方法
KR20200040423A (ko) 탄소섬유의 디사이징 방법 및 이를 이용한 연료전지용 가스확산층의 제조방법
CN114335584A (zh) 双极板预制体及其制备方法、双极板及其制备方法、燃料电池
TW202305214A (zh) 碳纖維的製造方法和碳纖維複合瓶
CN112143986A (zh) 一种定向分布的预应力碳纤维增强铝基复合材料的制备方法
CN113502656A (zh) 一种适用于炭纸的高比表面碳纤维制备方法
CN115522279B (zh) 高性能离子-电子复合热电纤维及其制备方法
CN115704184A (zh) 一种热界面材料用绝缘导热碳纤维的制备方法
CN115233491A (zh) 提高芳纶纸伸长率的制造工艺
CN116377712A (zh) 一种超高比电导率、超高载流量碳纳米管/铜核壳结构纤维的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant