CN113412026B - 一种轻质柔性碳纤维/金属复合导热索的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种轻质柔性碳纤维/金属复合导热索的制备方法，属于热交换联接件技术领域。该方法通过填充低熔点金属或热界面材料，将金属化后的碳纤维单向布和高导热金属管材热压到一起。碳纤维丝束的使用组数可调，且在碳纤维丝束外面用柔性热缩套管封装对碳纤维起到了很好地保护作用，同时也有效防止碎屑掉落到装置内引起短路现象的发生。这种方法制备的导热索工艺简单，质量很轻，柔性极好，热导率是同等条件铜导热索的数倍。

Description

一种轻质柔性碳纤维/金属复合导热索的制备方法

技术领域

本发明涉及一种轻质柔性碳纤维/金属复合导热索的制备方法，属于热交换联接件技术领域。

背景技术

随着电子技术和航空航天技术的进步，便携式移动电子设备及航天器单机载荷上集成的电子器件越来越密集，单机的功耗也越来越高，产热量也越来越大。如果这些热量不能及时有效的导出将会大大缩短电子元器件的寿命，以至于烧毁。因此，不管是在便携式移动电子设备方面，还是在航空航天电子装备方面，将产生的热量及时导出尤为重要。

目前将热量导出的主要方式包括辐射换热、铜导热索换热、热管换热以及它们的结合使用。在航天器以及便携式移动电子设备之中，仅靠辐射换热很难保证电子设备的正常运行温度，所以通常需要联合导热的方式提升热交换的能力。铜导热索和热管都可以达到导热的目的，但在一些场合下无法适用。因为它们的主体都是金属材料，质量较重，无法满足航空航天器以及便携式移动设备的轻量化要求。这就需要寻找一种新的材料来替代金属材料以达到导热和减重的目的。

随着材料科学的不断进步，高导热碳材料的应用领域越来越广。高导热碳纤维具有很高的柔性和热导率，其导热系数最高可达1100W·m^-1·K^-1，是纯铜的3～4倍，且它的密度仅为2.0g/cm³，是纯铜的1/4左右。所以将其作为联接热源和热沉之间的导热材料能够很好地满足柔性高导热和轻量化的要求。但是，高导热碳纤维通常具有超高的模量，很难编织，只有使多个高导热碳纤维束编制成碳纤维单向布才可以一定程度上解决其易断的问题，增加其柔性，满足使用要求，另外，具有超高的模量高导热碳纤维在径向受力时容易压碎，如何选择合适的热压工艺和填充材料也是一个亟待解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种轻质柔性碳纤维/金属复合导热索的制备方法，该方法制备的导热索能够满足航空航天和便携电子设备高导热、轻量化的需求，而且由于导热索是柔性的，可根据需要灵活设计并调整高功耗电子器件和热沉之间的距离和位置，可设计性强。

本发明所提供的轻质柔性碳纤维/金属复合导热索的制备方法，主要包括下述步骤：

步骤(1)，将高导热碳纤维丝束缝织成具有宽度和厚度的高导热碳纤维单向布，最后将数层高导热碳纤维单向布用缝纫线缝制成一个整体，以此作为柔性导热主体段；

步骤(2)，将柔性导热主体段的两端分别进行表面金属化处理；

步骤(3)，将柔性导热主体段表面金属化处理过的两端分别各放置到一个高导热金属管材内，向管内填充低熔点金属或热界面材料热压成型，制得轻质柔性碳纤维/金属复合导热索，最后将柔性导热主体段的外面用柔性热缩套管封装以起到保护碳纤维的作用。

上述方法步骤(1)中所述单根柔性高导热碳纤维为碳元素含量≥95％、直径≤15μm、室温导热系数≥400W·m^-1·K^-1、模量≥500GPa的碳纤维或石墨纤维，高导热碳纤维单向布中碳纤维束的用量以及柔性导热主体段高导热碳纤维单向布的层数皆由导热索的实际导热需求决定。

上述方法步骤(1)中所述将碳纤维丝束缝织成单向布的丝/线是指涤纶热熔丝、锦纶热熔丝、涤纶缝纫线、锦纶缝纫线以及维纶线等各种颜色及材质的丝/线；所述将高导热碳纤维单向布缝制成一体的缝纫线是指棉缝纫线、涤纶缝纫线、涤棉缝纫线、尼龙缝纫线、锦纶线以及维纶线等各种颜色及材质的缝纫线。

上述方法步骤(2)中所述柔性导热主体段两端的表面金属化处理是采用化学镀或/和电镀方式进行镀金、镀镍、镀钛或镀铜处理，控制镀层厚度45nm-60μm。

上述方法步骤(3)中所述高导热金属管材为高导热单金属或合金管材，其室温热导率≥150W·m^-1·K^-1，柔性导热主体段端部在高导热金属管内部同轴且径向还剩余空隙，具体管材壁厚及外径由导热索的实际需求决定，优选为铜或其合金、铝或其合金管材。

上述方法步骤(3)中所述低熔点金属为熔点在350℃以下的单金属或其合金，优选为镓(Ga)、铋(Bi)、镉(Cd)、铅(Pb)、锡(Sn)、铊(TI)、铟(In)及其合金。

上述方法步骤(3)中所述热界面材料为导热粘胶、弹性导热布、导热凝胶、相变型导热胶、导热膏以及导热带等。

上述方法步骤(3)中热压成型的工艺为：先将高导热金属管材加热(低于高导热金属的熔点)，使其具有较强的可塑性，然后径向施加0.1～5MPa压力，使其通过低熔点金属或热界面材料与导热柔性主体段压接在一起，且不破坏碳纤维。

上述方法步骤(3)中所述柔性热缩套管为PVC热缩套管、聚酯热缩管、含胶热缩管等，柔性热缩套管与高导热金属管搭接成一体。

本发明具有以下优点：

(1)该柔性碳纤维/金属复合导热索具有很好的柔性，可以方便连接移动的冷端或热端，并定向传热；

(2)该柔性碳纤维/金属复合导热索具有极轻的质量，相当于铜或铝导热索质量的1/5-1/2；

(3)本发明在柔性导热主体段外面用柔性热缩套管封装对碳纤维起到了很好地保护作用，同时也有效防止碎屑掉落到装置内引起短路现象的发生。

(4)本发明使用了将高导热碳纤维编制成高导热碳纤维单向布的方式解决了单根纤维易脆断的问题，同时选用合适的热压工艺和填充材料，使填充材料可以渗入到碳纤维布的空隙之中，增加结合力，此工艺简单，成品率高

附图说明

图1为本发明柔性碳纤维/金属复合导热索的结构示意图。

具体实施方式

下面以具体实施例的方式说明本发明，但不构成对本发明的限制。

实施例1:

将直径为10μm，模量为500GPa，导热系数为1000W·m^-1·K^-1的柔性高导热碳纤维集束。取20组碳纤维丝束缝织成高导热碳纤维单向布，然后取两层高导热碳纤维单向布缝制成一个整体，以此作为柔性导热主体段，通过化学镀的方式给柔性导热主体段的两端镀200nm厚的金属镍。

准备两个长度为30mm，壁厚为3mm，外径为40mm的铝合金管材，然后将带有柔性套管的碳纤维束放置在加热到600℃的铝合金管内，填充低熔点的铋合金，并径向施加1MPa的压力热压成型，冷却至室温后得到高导热的柔性碳纤维/金属复合导热索，最后将柔性导热主体段的外面用PVC热缩套管封装以起到保护碳纤维的作用。所制备导热索的导热率为985W·m^-1·K^-1，是同等条件下铜导热索的2.6倍。

实施例2:

将直径为10μm，模量为500GPa，导热系数为1000W·m^-1·K^-1的柔性高导热碳纤维换成将直径为10μm，模量为500GPa，导热系数为1200W·m^-1·K^-1的柔性高导热碳纤维，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为1120W·m^-1·K^-1，是同等条件下铜导热索的2.9倍。

实施例3:

将直径为10μm，模量为500GPa，导热系数为1000W·m^-1·K^-1的柔性高导热碳纤维换成将直径为12μm，模量为500GPa，导热系数为1000W·m^-1·K^-1的柔性高导热碳纤维，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为1040W·m^-1·K^-1，是同等条件下铜导热索的2.7倍。

实施例4：

将直径为10μm，模量为500GPa，导热系数为1000W·m^-1·K^-1的柔性高导热碳纤维换成将直径为12μm，模量为700GPa，导热系数为1000W·m^-1·K^-1的柔性高导热碳纤维，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为980W·m^-1·K^-1，是同等条件下铜导热索的2.7倍。

实施例5:

将碳纤维丝束由20组增加到40组，其他条件同实施例2，所制备导热索的导热率为1145W·m^-1·K^-1，是同等条件下铜导热索的3.0倍。

实施例6:

将碳纤维两端金属化处理的方式由化学镀改为电镀，其他条件同实施例2，所制备导热索的导热率为1110W·m^-1·K^-1，是同等条件下铜导热索的2.9倍。

实施例7:

将镀铜厚度由200nm增加到400nm，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为980W·m^-1·K^-1，是同等条件下铜导热索的2.5倍。

实施例8:

将所镀金属由镍替换成铜，其他条件同实施例2，所制备导热索的导热率为1135W·m^-1·K^-1，是同等条件下铜导热索的3.0倍。

实施例9:

将长度为30mm，壁厚为3mm，外径为40mm的铝合金管材换成长度为27mm，壁厚为2mm，外径为60mm的铝合金管材，其他条件同实施例2，所制备导热索的导热率为1130W·m^-1·K^-1，是同等条件下铜导热索的3.0倍。

实施例10：

将铝合金管材换铜管材，其他条件同实施例2，所制备导热索的导热率为1153W·m^-1·K^-1，是同等条件下铜导热索的3.1倍。

实施例11：

将铝合金管加热温度由600℃减少到500℃，其他条件同实施例2，所制备导热索的导热率为1141W·m^-1·K^-1，是同等条件下铜导热索的3.1倍。

实施例12：

将径向施加压力由1MPa增加到3MPa，其他条件同实施例2，所制备导热索的导热率为1150W·m^-1·K^-1，是同等条件下铜导热索的3.1倍。

实施例13：

将填充到管内的低熔点铋合金替换成相变型导热胶，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为610W·m^-1·K^-1，是同等条件下铜导热索的1.6倍。

实施例14：

将PVC热缩套管封装替换成聚酯热缩管封装，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为985W·m^-1·K^-1，是同等条件下铜导热索的2.6倍。

以上已对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种轻质柔性碳纤维/金属复合导热索的制备方法，其特征在于，主要包括下述步骤：

步骤(1) ，将高导热碳纤维丝束缝织成具有宽度和厚度的高导热碳纤维单向布，最后将数层高导热碳纤维单向布用缝纫线缝制成一个整体，以此作为柔性导热主体段；

步骤(2)，将柔性导热主体段的两端分别进行表面金属化处理；

步骤(3)，将柔性导热主体段表面金属化处理过的两端分别各放置到一个高导热金属管材内，向管内填充低熔点金属或热界面材料热压成型，制得轻质柔性碳纤维/金属复合导热索，最后将柔性导热主体段的外面用柔性热缩套管封装以起到保护碳纤维的作用；

步骤(1)中单根高导热碳纤维为碳元素含量≥95%、直径≤15μm、室温导热系数≥400W· m^-1· K^-1、模量≥500GPa的碳纤维；高导热碳纤维单向布中碳纤维束的用量以及柔性导热主体段高导热碳纤维单向布的层数皆由导热索的实际导热需求决定；

步骤(1)中将碳纤维丝束缝织成单向布的丝/线是指涤纶热熔丝、锦纶热熔丝、涤纶缝纫线、锦纶缝纫线以及维纶线；将高导热碳纤维单向布缝制成一体的缝纫线是指棉缝纫线、涤纶缝纫线、涤棉缝纫线、尼龙缝纫线、锦纶线以及维纶线。

2.按照权利要求1所述的一种轻质柔性碳纤维/金属复合导热索的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述柔性导热主体段两端的表面金属化处理是采用化学镀或/和电镀方式进行镀金、镀镍、镀钛或镀铜处理，控制镀层厚度45nm-60μm。

3.按照权利要求1所述的一种轻质柔性碳纤维/金属复合导热索的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述高导热金属管材为高导热铜或其合金、铝或其合金管材，其室温热导率≥150W· m^-1· K^-1，柔性导热主体段端部在高导热金属管内部同轴且径向还剩余空隙，具体管材壁厚及外径由导热索的实际需求决定。

4.按照权利要求1所述的一种轻质柔性碳纤维/金属复合导热索的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述低熔点金属为熔点在350℃以下的镓（Ga）、铋（Bi）、镉（Cd）、铅（Pb）、锡（Sn）、铊（TI）、铟（In）及其合金。

5.按照权利要求1所述的一种轻质柔性碳纤维/金属复合导热索的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述热界面材料为导热粘胶、弹性导热布、导热凝胶、相变型导热胶、导热膏以及导热带。

6.按照权利要求1所述的一种轻质柔性碳纤维/金属复合导热索的制备方法，其特征在于，步骤(3)中热压成型的工艺为：先将高导热金属管材加热至低于高导热金属熔点的温度，使其具有较强的可塑性，然后径向施加0.1~5MPa压力，使其通过低熔点金属或热界面材料与导热柔性主体段压接在一起，且不破坏碳纤维。

7.按照权利要求1所述的一种轻质柔性碳纤维/金属复合导热索的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述柔性热缩套管为PVC热缩套管、聚酯热缩管、含胶热缩管；柔性热缩套管与高导热金属管搭接成一体。

8.按照权利要求1-7任一项所述的方法制备得到的一种轻质柔性碳纤维/金属复合导热索。

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