CN113683432B - 一种强韧化耐高温绝缘导热复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种强韧化耐高温绝缘导热复合材料的制备方法，涉及热管理材料领域，根据弹性压缩结构的2.5D连续碳纤维编织物和聚碳硅烷溶液制得预处理织物A；将硝酸铝加入酚醛树脂的乙醇溶液中制得浸渍溶液；根据预处理织物A与浸渍溶液制得到预处理织物B；将氮化铝粉、乙醇、硅烷偶联剂球磨，得到改性氮化铝；将改性氮化铝、纳米氧化铝、硝酸铝先后加入至酚醛溶胶中，得到溶胶混合物；将预处理织物B加入至溶胶混合物中，加入胺类催化剂进行酚醛凝胶反应，得到块体C；将块体C沿着2.5D连续碳纤维编织物进行热压烧结，得到强韧化耐高温绝缘导热复合材料。能够解决现有陶瓷基耐高温绝缘导热材料脆性大、韧性不足、抗热震性能差的问题。

Description

一种强韧化耐高温绝缘导热复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及热管理材料制备技术领域，具体涉及一种强韧化耐高温绝缘导热复合材料的制备方法。
背景技术
随着电子技术的不断发展，大功率电子器件的不断应用，散热已经成为电子集成技术发展所要面对的主要问题，以氧化铝、氮化铝、氮化硅等材料为代表的耐高温绝缘导热材料以其良好的耐高温性能、导热性能、绝缘性能在航空航天领域有着广泛的应用前景。然而，由于这三类材料具有脆性大、韧性不足、抗热震性能差等问题，严重制约了此类材料的实际应用前景。为解决该问题，急需发明一种强韧化耐高温绝缘导热复合材料的制备方法。
发明内容
为了解决现有以氮化铝材料为代表的陶瓷基耐高温绝缘导热材料脆性大，韧性不足，抗热震性能差的问题，本发明提供一种强韧化耐高温绝缘导热复合材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种强韧化耐高温绝缘导热复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有可弹性压缩结构的2.5D连续碳纤维编织物在聚碳硅烷溶液中浸渍后取出，干燥后得到预处理织物A；
(2)将硝酸铝加入酚醛树脂的乙醇溶液中，混合均匀后，制得浸渍溶液；
(3)将所述预处理织物A在所述浸渍溶液中浸渍后取出，干燥后得到预处理织物B；
(4)将氮化铝粉、乙醇、硅烷偶联剂加入到球磨罐中，球磨3-10h后，取出并真空干燥，然后在干燥的惰性气氛保护环境下进行研磨，得到改性氮化铝；
(5)将所述改性氮化铝、纳米氧化铝、硝酸铝先后加入至酚醛溶胶中，改性氮化铝的质量占比不低于90％，搅拌并悬浮均匀，得到溶胶混合物；
(6)将所述预处理织物B加入至所述溶胶混合物之中，加入胺类催化剂进行酚醛凝胶反应，然后进行常压干燥，得到块体C；
(7)将所述块体C置于马弗炉中于500-600℃处理1-6h后，冷却至室温取出并转移至惰性气氛保护的碳管炉中，沿着所述2.5D连续碳纤维编织物进行热压烧结，保温时间1-10h，烧结完毕后取出得到强韧化耐高温绝缘导热复合材料。
优选地，步骤(1)中的干燥条件为：室温干燥1-10h，再于50-150℃真空干燥1-10h。
优选地，步骤(3)中的干燥条件为：0-50℃干燥2-5h，然后升温至90-150℃继续干燥5-10h。
优选地，步骤(4)中的惰性气氛为氮气或稀有气体中的一种。
优选地，步骤(4)中的球磨速度为100-400r/min。
优选地，步骤(4)中的球磨速度优选200-300r/min。
优选地，步骤(4)中的氮化铝粉、乙醇、硅烷偶联剂的添加质量比为(30-50):(40-100):(1-3)。
优选地，步骤(6)中的胺类催化剂含量为所述酚醛溶胶质量的0.1％～2％。
优选地，步骤(7)中的惰性气氛为氮气或稀有气体中的一种。
优选地，步骤(7)中的热压烧结的最高温度为1600-1800℃。
本发明取得有益效果：
1)本发明方法对氮化铝改性的目的在于使其在酚醛溶胶中更好地分散；酚醛溶胶可以引入C，硝酸铝、纳米氧化铝作为铝源，与氮气在高温下可生成氮化铝相，提升材料的高温烧结性能。所制备的耐高温绝缘导热材料可承受800℃以上高温，可耐10kV以上高压击穿，热导率可达170W/(m·K)以上；
2)本发明方法所制备的耐高温绝缘导热材料使用温域宽，力学性能及抗热震性能优异；
3)本发明方法绿色简单，无苯类、醛类等挥发性有机溶剂，无需使用高端复杂设备，常规的高温炉、烘箱、分散机、球磨机即可实现产品制备。
附图说明
图1是一种强韧化耐高温绝缘导热复合材料的制备流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
本发明提供一种强韧化耐高温绝缘导热复合材料的制备方法，如图1所示，其包括以下步骤：
(1)将具有可弹性压缩结构的2.5D连续碳纤维编织物在聚碳硅烷溶液中浸渍后取出，干燥后得到预处理织物A。为保证聚碳硅烷溶液对织物的浸渍效果，干燥条件为：室温干燥1-10h(可以为该范围内的任意数值，例如1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h)后，于50-150℃(可以为该范围内的任意数值，例如50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃)真空干燥1-10h(可以为该范围内的任意数值，例如1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h)。
(2)将硝酸铝加入酚醛树脂的乙醇溶液中，混合均匀后，制得浸渍溶液，备用。
(3)将步骤(1)得到的预处理织物A，在步骤(2)得到的浸渍溶液中浸渍后取出，干燥后得到预处理织物B；为保证预处理织物A的浸渍效果，该干燥条件为：30-50℃(可以为该范围内的任意数值，例如30℃、31℃、32℃、33℃、34℃、35℃、36℃、37℃、38℃、39℃、40℃、41℃、42℃、43℃、44℃、45℃、46℃、47℃、48℃、49℃、50℃)干燥2-5h(可以为该范围内的任意数值，例如2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h)后，升温至90-150℃(可以为该范围内的任意数值，例如90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃)继续干燥5-10h(可以为该范围内的任意数值，例如5h、6h、7h、8h、9h、10h)。
(4)将氮化铝粉、乙醇、硅烷偶联剂加入到球磨罐中，球磨3-10h(可以为该范围内的任意数值，例如3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h)后，取出并真空干燥，然后在干燥的惰性气氛保护环境下进行研磨，得到改性氮化铝。所述球磨速度可在100-400r/min范围内调整，可以为该范围内的任意数值，例如100r/min、150r/min、200r/min、250r/min、300r/min、350r/min、400r/min、450r/min、500r/min，优选200-300r/min。所述氮化铝粉、乙醇、硅烷偶联剂的添加质量比为(30-50):(40-100):(1-3)，可以为该范围内的任意比值，例如(30、40或50):(40、50、60、70、80、90或100):(1、2或3)。所述惰性气氛可以为氮气或稀有气体中的一种。
(5)将步骤(4)得到的改性氮化铝、纳米氧化铝、硝酸铝先后加入至酚醛溶胶中，改性氮化铝的质量占比不低于90％(可以为该范围内的任意比值，例如91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％)，搅拌并悬浮均匀，得到溶胶混合物。
(6)将步骤(3)得到的预处理织物B加入至步骤(5)所得的溶胶混合物之中，加入胺类催化剂进行酚醛凝胶反应，然后进行常压干燥，得到块体C。胺类催化剂含量为步骤(5)酚醛溶胶质量的0.1％～2％(可以为该范围内的任意比值，例如0.1％、0.5％、1％、1.5％、2％)确保溶胶混合物浸没预处理织物B。
(7)将步骤(6)得到的块体C置于马弗炉中于500-600℃(可以为该范围内的任意比值，例如500℃、510℃、520℃、530℃、540℃、550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃)处理1-6h(可以为该范围内的任意比值，例如1h、2h、3h、4h、5h、6h)后，冷却至室温取出并转移至氮气气氛保护的碳管炉中，沿着步骤(1)中2.5D连续碳纤维编织物的于进行热压烧结，烧结最高温度1600-1800℃(可以为该范围内的任意比值，例如1600℃、1650℃、1700℃、1750℃、1800℃)，保温时间1-10h(可以为该范围内的任意比值，例如1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h)。烧结完毕后取出，得到耐高温绝缘导热材料。
以下为本发明列举的实施例：
实施例1
(1)将2.5D连续碳纤维编织物在聚碳硅烷溶液中浸渍后取出，干燥后得到预处理织物A；为保证聚碳硅烷溶液对织物的浸渍效果，步骤(1)所述干燥方法可进一步优选：室温干燥1h后，于50℃真空干燥10h；
(2)将硝酸铝加入酚醛树脂的乙醇溶液中，混合均匀后，制得浸渍溶液，备用；
(3)将步骤(1)得到的预处理织物A，在步骤(2)得到的浸渍溶液中浸渍后取出，干燥后得到预处理织物B；为保证预处理织物A的浸渍效果，步骤(3)所述干燥方法可进一步优选：30℃干燥5h后，升温至90℃继续干燥10h；
(4)将氮化铝粉、乙醇、硅烷偶联剂加入到球磨罐中，球磨3h后，取出并真空干燥，然后在氮气氛保护环境下进行研磨，得到改性氮化铝；所述球磨速度200r/min；所述氮化铝粉、乙醇、硅烷偶联剂的添加比例为30:40:1；
(5)将步骤(4)得到的改性氮化铝、纳米氧化铝、硝酸铝先后加入至酚醛溶胶中，搅拌并悬浮均匀，得到溶胶混合物；改性氮化铝、纳米氧化铝、硝酸铝的质量比为90:5:5；
(6)将步骤(3)得到的预处理织物B加入至步骤(5)所得的溶胶混合物之中，加入胺类催化剂进行酚醛凝胶反应，然后进行常压干燥，得到块体C；催化剂为步骤(5)溶胶质量的0.1％；
(7)将步骤(6)得到的块体C置于马弗炉中于500℃处理6h后，冷却至室温取出并转移至氮气保护的碳管炉中，沿着步骤(1)中2.5D连续碳纤维编织物的于进行热压烧结，烧结最高温度1600℃，保温时间10h。烧结完毕后取出，得到一种耐高温绝缘导热材料。
实施效果：所制备的耐高温绝缘导热材料，可耐10kV以上高压击穿，热导率175W/(m·K)；使用温域-40℃～1200℃，室温到400℃线膨胀系数4.4×10-6，抗弯强度350MPa。
实施例2
(1)将2.5D连续碳纤维编织物在聚碳硅烷溶液中浸渍后取出，干燥后得到预处理织物A；为保证聚碳硅烷溶液对织物的浸渍效果，步骤(1)所述干燥方法可进一步优选：室温干燥10h后，于150℃真空干燥1h；
(2)将硝酸铝加入酚醛树脂的乙醇溶液中，混合均匀后，制得浸渍溶液，备用；
(3)将步骤(1)得到的预处理织物A，在步骤(2)得到的浸渍溶液中浸渍后取出，干燥后得到预处理织物B；为保证预处理织物A的浸渍效果，步骤(3)所述干燥方法可进一步优选：50℃干燥2h后，升温至150℃继续干燥5h；
(4)将氮化铝粉、乙醇、硅烷偶联剂加入到球磨罐中，球磨10h后，取出并真空干燥，然后在氮气氛保护环境下进行研磨，得到改性氮化铝；所述球磨速度300r/min；所述氮化铝粉、乙醇、硅烷偶联剂的添加比例为50:100:3；
(5)将步骤(4)得到的改性氮化铝、纳米氧化铝、硝酸铝先后加入至酚醛溶胶中，搅拌并悬浮均匀，得到溶胶混合物；改性氮化铝、纳米氧化铝、硝酸铝的质量比为94:3:3；
(6)将步骤(3)得到的预处理织物B加入至步骤(5)所得的溶胶混合物之中，加入胺类催化剂进行酚醛凝胶反应，然后进行常压干燥，得到块体C；催化剂为步骤(5)溶胶质量的2％；
(7)将步骤(6)得到的块体C置于马弗炉中于600℃处理1h后，冷却至室温取出并转移至氮气保护的碳管炉中，沿着步骤(1)中2.5D连续碳纤维编织物的于进行热压烧结，烧结最高温度1800℃，保温时间1h。烧结完毕后取出，得到一种耐高温绝缘导热材料。
实施效果：所制备的耐高温绝缘导热材料，可耐10kV以上高压击穿，热导率180W/(m·K)；使用温域-40℃～1200℃，室温到400℃线膨胀系数4.4×10-6，抗弯强度355MPa。
实施例3
(1)将2.5D连续碳纤维编织物在聚碳硅烷溶液中浸渍后取出，干燥后得到预处理织物A；为保证聚碳硅烷溶液对织物的浸渍效果，步骤(1)所述干燥方法可进一步优选：室温干燥5h后，于100℃真空干燥5h；
(2)将硝酸铝加入酚醛树脂的乙醇溶液中，混合均匀后，制得浸渍溶液，备用；
(3)将步骤(1)得到的预处理织物A，在步骤(2)得到的浸渍溶液中浸渍后取出，干燥后得到预处理织物B；为保证预处理织物A的浸渍效果，步骤(3)所述干燥方法可进一步优选：40℃干燥3h后，升温至120℃继续干燥7h；
(4)将氮化铝粉、乙醇、硅烷偶联剂加入到球磨罐中，球磨6h后，取出并真空干燥，然后在氮气氛保护环境下进行研磨，得到改性氮化铝；所述球磨速度250r/min；所述氮化铝粉、乙醇、硅烷偶联剂的添加比例为50:40:2；
(5)将步骤(4)得到的改性氮化铝、纳米氧化铝、硝酸铝先后加入至酚醛溶胶中，搅拌并悬浮均匀，得到溶胶混合物；改性氮化铝、纳米氧化铝、硝酸铝的质量比为98:1:1；
(6)将步骤(3)得到的预处理织物B加入至步骤(5)所得的溶胶混合物之中，加入胺类催化剂进行酚醛凝胶反应，然后进行常压干燥，得到块体C；催化剂为步骤(5)溶胶质量的1％；
(7)将步骤(6)得到的块体C置于马弗炉中于550℃处理4h后，冷却至室温取出并转移至氮气保护的碳管炉中，沿着步骤(1)中2.5D连续碳纤维编织物的于进行热压烧结，烧结最高温度1700℃，保温时间5h。烧结完毕后取出，得到一种耐高温绝缘导热材料。
实施效果：所制备的耐高温绝缘导热材料，可耐10kV以上高压击穿，热导率185W/(m·K)；使用温域-40℃～1200℃，室温到400℃线膨胀系数4.4×10-6，抗弯强度350MPa。
以下列举一对比例(对比不添加硝酸铝、氧化铝)
(1)将2.5D连续碳纤维编织物在聚碳硅烷溶液中浸渍后取出，干燥后得到预处理织物A；为保证聚碳硅烷溶液对织物的浸渍效果，步骤(1)所述干燥方法可进一步优选：室温干燥5h后，于100℃真空干燥5h；
(2)配制酚醛树脂的乙醇溶液作为浸渍溶液，备用；
(3)将步骤(1)得到的预处理织物A，在步骤(2)得到的浸渍溶液中浸渍后取出，干燥后得到预处理织物B；为保证预处理织物A的浸渍效果，步骤(3)所述干燥方法可进一步优选：40℃干燥3h后，升温至120℃继续干燥7h；
(4)将氮化铝粉、乙醇、硅烷偶联剂加入到球磨罐中，球磨6h后，取出并真空干燥，然后在氮气氛保护环境下进行研磨，得到改性氮化铝；所述球磨速度250r/min；所述氮化铝粉、乙醇、硅烷偶联剂的添加比例为50:40:2；
(5)将步骤(4)得到的改性氮化铝加入至酚醛溶胶中，搅拌并悬浮均匀，得到溶胶混合物；
(6)将步骤(3)得到的预处理织物B加入至步骤(5)所得的溶胶混合物之中，加入胺类催化剂进行酚醛凝胶反应，然后进行常压干燥，得到块体C；催化剂为步骤(5)溶胶质量的1％；
(7)将步骤(6)得到的块体C置于马弗炉中于550℃处理4h后，冷却至室温取出并转移至氮气保护的碳管炉中，沿着步骤(1)中2.5D连续碳纤维编织物的于进行热压烧结，烧结最高温度1700℃，保温时间5h。烧结完毕后取出，得到一种耐高温绝缘导热材料。
实施效果：所制备的耐高温绝缘导热材料，可耐10kV以上高压击穿，热导率125W/ (m·K)；使用温域-40℃～1200℃，室温到400℃线膨胀系数4.5×10-6，抗弯强度280MPa。
由实施例和对比例比较可知，对比例由于不添加硝酸铝、氧化铝，制备的结果导热率低，膨胀系数高，抗弯强度低。而实施例中的本发明方法对氮化铝改性的目的在于使其在酚醛溶胶中更好地分散；酚醛溶胶可以引入C，硝酸铝、纳米氧化铝作为铝源，与氮气在高温下可生成氮化铝相，提升材料的高温烧结性能。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的适当修改或者等同替换，均应涵盖于本发明的保护范围内，本发明的保护范围以权利要求所限定者为准。

Claims (9)

1.一种强韧化耐高温绝缘导热复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将具有弹性压缩结构的2.5D连续碳纤维编织物在聚碳硅烷溶液中浸渍后取出，干燥后得到预处理织物A；
(2)将硝酸铝加入酚醛树脂的乙醇溶液中，混合均匀后，制得浸渍溶液；
(3)将所述预处理织物A在所述浸渍溶液中浸渍后取出，干燥后得到预处理织物B；
(4)将氮化铝粉、乙醇、硅烷偶联剂加入到球磨罐中，球磨3-10h后，取出并真空干燥，然后在干燥的惰性气氛保护环境下进行研磨，得到改性氮化铝；
(5)将所述改性氮化铝、纳米氧化铝、硝酸铝先后加入至酚醛溶胶中，改性氮化铝的质量占比不低于90％，搅拌并悬浮均匀，得到溶胶混合物；
(6)将所述预处理织物B加入至所述溶胶混合物之中，加入胺类催化剂进行酚醛凝胶反应，然后进行常压干燥，得到块体C；
(7)将所述块体C置于马弗炉中于500-600℃处理1-6h后，冷却至室温取出并转移至氮气气氛保护的碳管炉中，沿着所述2.5D连续碳纤维编织物进行热压烧结，保温时间1-10h，烧结完毕后取出得到强韧化耐高温绝缘导热复合材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中的干燥条件为：室温干燥1-10h，再于50-150℃真空干燥1-10h。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中的干燥条件为：0-50℃干燥2-5h，然后升温至90-150℃继续干燥5-10h。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中的惰性气氛为氮气或稀有气体中的一种。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中的球磨速度为100-400r/min。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(4)中的球磨速度为200-300r/min。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中的氮化铝粉、乙醇、硅烷偶联剂的添加质量比为(30-50):(40-100):(1-3)。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)中的胺类催化剂含量为所述酚醛溶胶质量的0.1％～2％。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(7)中的热压烧结的最高温度为1600-1800℃。
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