CN115613212A - 一种碳纤维毡的制备方法 - Google Patents

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叶崇
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Abstract

本发明提供了一种碳纤维毡的制备方法，包括如下步骤：将中间相沥青纤维充分预氧化并短切后，与中间相沥青粉末混合，模压成型，并于保护气氛中进行初步碳化，得到网络材料；或者将中间相沥青纤维充分预氧化并短切后，于液体介质中与中间相沥青粉末混合得到分散液；于保护气氛中干燥、模压成型以及初步炭化，得到网络材料；对所述网络材料进行二次炭化，得到所述碳纤维毡。

Description

一种碳纤维毡的制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维毡的制备方法；属于炭素材料制备技术领域。
背景技术
碳纤维是一种纤维状炭材料，具有非常优异的力学性能(如高比强度，高比模量等)和功能特性(如高导电和导热性)，其作为分散体填充到高分子基体中可以大幅提高材料的综合性能。
根据分散体形态的不同，碳纤维可分为长丝碳纤维，短切碳纤维，编织碳纤维等形式。其中短切碳纤维可加工性高，成本相对较低，因而应用较普遍。然而由于碳纤维表面惰性，具有疏水性，在基体中存在均匀分散的难题，同时由于分散纤维与基体之间界面热阻大，往往不能充分利用碳纤维的本征优异性能。此外，短切碳纤维也可通过引入外部炭质粘结点相互粘结形成多孔炭粘碳纤维网络材料，并应用于保温和吸附材料。例如，洪长青等[Liu C,Han JC,Zhang XH,Hong CQ*,Du SY.Lightweight carbon-bonded carbon fibercomposites prepared by pressure filtration technique.Carbon,2013,59:551-554]通过将短切黏胶基碳纤维，分散剂和酚醛树脂粉末等搅拌混合于水溶液中形成悬浮液，注模干燥并炭化后得到多孔炭粘碳纤维复合材料。
然而对于高导热体系而言，酚醛树脂炭收率较低且不易石墨化，其作为粘结剂使用时对导热的贡献有限。而中间相沥青的高炭收率和易石墨化性质使其具备优异的导热性能，是高导热体系可选的优异碳质粘结剂。
发明专利CN106044742A：一种沥青基碳纤维自粘结网络材料的制备方法，对沥青纤维进行未完全预氧化处理，短切后通过机械分散、气体介质或水溶液中分散，模压后进行炭化或石墨化,得到自粘结碳纤维三维网络材料。该方法中摒弃了粘结剂，能有效提升体系的导热系数。然而由于采用未完全预氧化纤维，需要对纤维的预氧化程度精确定量，增加了操作繁琐性，且制备网络材料过程中采用低压≤20KPa以期获得低密度网络结构。由于密度较低，从而限制了碳纤维网络材料的导热系数与抗压强度进一步强化及其应用领域。
有鉴于此，需要提出一种新的技术方案来解决碳纤维网络材料的强度和导热性较难兼顾的技术问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种高导热高强度碳纤维毡，该碳纤维毡采用具有辐射状结构的中间相沥青基预氧化纤维为原料纤维，以中间相沥青为碳质粘结剂前驱体，由于原料性质相似，且同步经历炭化过程，使得碳质粘结剂所形成的碳层结构与碳纤维的辐射状结构的碳层边缘产生了层层对接,形成了纤维之间的热量传导通道，具有较高的导热系数和抗压强度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
一种为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种碳纤维毡的制备方法，包括如下步骤：
将中间相沥青纤维充分预氧化并短切后，与中间相沥青粉末混合，模压成型，并于保护气氛中进行初步碳化，得到网络材料；或者
将中间相沥青纤维充分预氧化并短切后，于液体介质中与中间相沥青粉末混合得到分散液；于保护气氛中干燥、模压成型以及初步炭化，得到网络材料；
对所述网络材料进行二次炭化，得到所述碳纤维毡。
所述中间相沥青预氧化纤维所述中间相沥青粉末的质量比为1-10:1；
所述初步炭化的温度为500℃～1000℃；
所述初步炭化的升温速率为0.1℃/min～10℃/min。
所述模压成型采用的压力大于等于0.1MPa并且小于等于20MPa。
所述的中间相沥青纤维的外径为7～60μm，
所述的中间相沥青纤维经短切后长度为0.5～10mm；
所述的中间相沥青纤维的碳纤维截面结构为碳层排列成辐射状；
所述辐射状包括开裂辐射状、不开裂辐射状、边缘辐射状或异型结构辐射状。
所述中间相沥青粉末的制备方法包括球磨、气流粉碎或机械粉碎；
所述中间相沥青粉末的粒径Dv97≤40μm。
所述二次炭化的温度为1000℃～3200℃；
所述二次炭化的升温速率为0.1℃/min～100℃/min。
所述碳纤维毡的密度为0.4～1.2g/cm3。
所述碳纤维毡中任意两根碳纤维之间的碳质粘结点完整无开裂现象。
所述碳纤维毡中任意两根碳纤维的碳层结构之间层层对接。
一种所述的碳纤维毡的应用，应用于作为高导热和/或高强复合材料的增强体，或者应用于作为包含热界面材料的导热填充物。
所述复合材料的制备方法包括将所述碳纤维毡浸渍于树脂胶液或硅橡胶胶液中固化的步骤；
所述树脂胶液包括环氧树脂E51和三乙烯四胺；
所述环氧树脂E51和三乙烯四胺的质量比为10:1；
所述固化的温度为10-110℃。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用中间相沥青基预氧化纤维为原料纤维，以中间相沥青为碳质粘结剂前驱体，由于原料一致，且同步经历炭化过程，使得碳质粘结剂所形成的碳层结构与碳纤维的辐射状结构碳层边缘产生了层层对接现象,可延伸生长石墨片层，有效地促进了纤维之间的热量传导，可明显改善体系的导热和力学性能。
2、本发明由于采用未炭化的预氧化纤维为原料，其表面丰富的官能团(羧基、或羟基等)具有一定的亲水性，使其在水中或极性溶剂中具有较好的分散性，有利于实现空间上纤维的均匀分散。
3、本发明提供的方法通过模具实现高导热高强度碳纤维毡的形成，特别是可以通过调节压力来实现材料密度及层状分布程度，可以获得厚度及密度可调的碳纤维毡，这有利于满足不同的应用要求。
4、本发明提供的方法对设备要求不高，工艺简单，易于工业化生产。下面通过附图及实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
5、本发明提供的方法获得的高导热高强度碳纤维毡孔隙率在46％～82％之间，尤其适用于高分子、陶瓷和金属等为基体的高导热复合材料的制备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1示出了预氧化纤维及不同温度炭化的纤维的红外光谱谱图；
图2示出了实施例2碳纤维毡的粘结点的典型微观结构照片；
图3示出了对比例1碳纤维毡的粘结点的典型显微结构照片；
图4示出了对比例2碳纤维毡的粘结点的显微结构照片；
图5示出了实施例2中碳纤维粘结点处形成的层层对接碳桥结构的显微照片；
图6示出了对碳纤维毡均匀性考察时取样点示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供了一种碳纤维毡的制备方法，其采用中间相沥青作为原料来制备碳纤维毡。中间相沥青是一种非常复杂的具有向列型液晶特性的芳香烃混合物。在碳纤维的生产中必须通过预氧化(引入氧桥)来保证分子结构高取向排列的稳定。氧桥结构通常是通过热氧化和脱氢形成的，首先发生在脂肪族侧链上，然后发生芳构化和交联，预氧化过程是控制碳纤维结构和性能的关键因素之一。从图1提供的红外光谱图可以看到，预氧化纤维的官能团和作为粘结剂的中间相沥青原料比较接近，而碳化纤维已经逐步脱除非碳原子和官能团，表面转为惰性。
因此，为了建立纤维与粘结剂良好的粘结，本发明采用预氧化纤维与碳纤维相比有更多的官能团参与反应，形成稳固的粘结效果，增加了制品强度。
相对于公开号为CN106044742A的发明专利，本发明采用完全预氧化的碳纤维作为原料，采用中间相沥青粉末作为粘结剂来制备碳纤维毡，省去了对碳纤维预氧化度的测量过程，使该方法制备得到碳纤维毡的稳定性更高。完全预氧化纤维因氧化程度更高使得纤维表面的含氧官能团含量更高从而更有利于纤维在液体介质中的分散；因完全预氧化的纤维及其相应的碳纤维具有更高的机械强度，因此有利于提高碳纤维毡的机械强度。
具体的，所述初步炭化的温度为500℃～1000℃；温度过低中间相沥青粉未焦化，使得粘结点不牢而影响碳纤维毡的机械性能，在后续工艺的操作中容易对碳纤维毡造成机械损伤，温度过高对热压设备的要求更高从而增大生产成本。所述初步炭化的升温速率为0.1℃/min～10℃/min。升温速率过低导致生产效率降低、能耗成本上升；升温速率过快容易导致加热设备内的温度场不均从而容易导致样品的均匀性存在差异。
具体的，所述模压成型采用的压力大于等于0.1MPa并且小于等于20MPa。压力过大容易导致纤维的断裂从而降低碳纤维毡的热导率和机械强度，压力过小不利于碳纤维毡的密度调节。
具体的，所述的中间相沥青纤维的外径为7～60μm，更大的纤维外径时不容易对于其进行完全预氧化；更小的纤维容易导致纤维过渡氧化从而在后续的碳化过程中损失额外的碳元素从而形成缺陷，进而影响碳纤维毡的机械性能和导热性能。
具体的，所述的中间相沥青纤维经短切后长度为0.5～10mm；纤维过短会显著降低碳纤维网络体的导热系数，纤维过程不利于纤维的分散。
具体的，所述的中间相沥青纤维的碳纤维截面结构为碳层排列成辐射状。相对于公开号为CN106044742A的发明专利，本发明采用具有辐射状结构的碳纤维，在粘结时，两根碳纤维之间的辐射状结构之间会发生融合，形成碳桥，从而提高碳纤维之间的导热性能。由于原料一致，且同步经历炭化过程，使得碳质粘结剂所形成的碳层结构与碳纤维的辐射状结构碳层边缘产生了层层对接现象，可延伸生长石墨片层，有效地促进了纤维之间的热量传导，可明显改善体系的导热和力学性能。由于预氧化纤维表面丰富的官能团，在溶剂中分散效果也大大提高，提升了纤维的分散性，在制品的均匀性上也得到大大的提升。相对于“以中间相沥青为粘结剂的低密度高导热碳纤维网络体的研究”一文中提供的先炭化再粘结的技术方案，本发明采用先粘结再炭化的技术方案能够在碳纤维之间形成碳桥，而上文中则不能。请修改并作补充上述区别。先炭化再粘结的技术方案中，纤维的炭化导致了纤维中碳层的排列方向牢牢固定以及纤维表面含氧官能团的脱除，在后续的粘结过程中，虽然也能对熔融态的中间相沥青起到一定诱导排列作用，促使层层对接的碳桥的形成。但是由于表面官能团的脱除，使得纤维分散的均匀性下降，纤维与沥青粉末的相互作用力减弱，诱导相互层层对接结构的效果大打折扣。
而本发明中先粘结再炭化的技术方案考虑了中间相沥青粉末在受热过程中会熔融，且沥青粉的焦化与预氧化纤维的炭化为同步进行，由于都具有向列型液晶的属性，且预氧化纤维表面具备丰富的官能团，极易分散均匀，成型时可与熔融沥青形成强化学力。同时本方案择优选取了辐射状结构碳纤维，有利于纤维最外层和沥青相接触的碳层同时相互诱导择优取向排列，形成碳层边缘层层铆接的碳桥结构。因此本方案从原料纤维的结构进行改进，使层层对接的碳桥结构发展得更完善，粘结更加紧密，进而带来性能的明显提升。
具体的，所述辐射状包括开裂辐射状、不开裂辐射状、边缘辐射状或异型结构辐射状。
具体的，所述中间相沥青粉末的制备方法包括球磨、气流粉碎或机械粉碎。
具体的，所述中间相沥青粉末的粒径Dv97≤40μm。粒径过大容量导致中间相量粉末与纤维分散不均，且过大的粒径容易使得纤维之间的沥青粉末颗粒不足导致纤维之间无碳粘，从而降低碳纤维毡的导热系数、强度以及样品的均匀性。
具体的，所述二次炭化的温度为1000℃～3200℃；过低的温度导致所形成的碳纤维毡导热系数低强度低，因此选用石墨化设备的上限温度作为热处理的上限温度，1000℃为下限温度。
具体的，所述二次炭化的升温速率为0.1℃/min～100℃/min。升温速率过低导致生产效率降低、能耗成本上升；升温速率过快容易导致加热设备的故障，间接提高生产成本。
具体的，所述碳纤维毡的密度为0.4～1.2g/cm3。提升碳纤维毡的密度能有效提高导热系数和强度，但是过高的密度需要大的压力模压成型，而过大密度容易导致碳纤维的断裂从而降低导热系数和强度；
具体的，所述碳纤维毡中任意两根碳纤维之间的碳质粘结点完整无开裂现象。
所述碳纤维毡中任意两根碳纤维的碳层结构之间层层对接。
以下结合中具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
1、将10g直径34μm长度为0.5mm且已知是辐射状截面结构的中间相沥青纤维平铺在坩埚中，随后将坩埚放置在预氧化炉中进行预氧化，氧化气氛为空气，流量为10L/min，温度制度为1℃/min从室温升温至300℃并保温4h，从而获得充分预氧化的中间相沥青预氧化纤维；
2、将上述中间相沥青预氧化纤维与Dv50为5μm、Dv97为25μm的中间相沥青粉末的质量比为1:1混合，并通过气体介质分散均匀后装入模具i中，随后将模具i放在在热压机中，从模具的顶部施加压力为0.1Mpa，且该热压机具有通惰性气氛中的管道进行吹扫，惰性气体为氮气，流量为5L/min，并对模具进行加热，以1℃/min的升温速率升温至1000℃以初步炭化，然后自然冷却、脱模，得到网络材料。
3、将上述网络材料I进行二次炭化，以0.1℃/min的升温速率升温至1800℃得到碳纤维毡。
4、采用真空浸渍的方法向上述网络材料II中浸渍环氧树脂胶液，环氧树脂胶液由环氧树脂E51与三乙烯四胺质量比为10:1混合而成，浸渍后经常温固化24h获得高导热碳纤维毡导热强化环氧树脂复合材料。
实施例2
1、将10g直径21μm长度为5mm且已知是辐射状截面结构的中间相沥青纤维平铺在坩埚中，随后将坩埚放置在预氧化炉中进行预氧化，氧化气氛为空气，流量为10L/min，温度制度为1℃/min从室温升温至300℃并保温2h，从而获得充分预氧化的中间相沥青预氧化纤维；
2、将上述中间相沥青预氧化纤维与Dv50为6μm、Dv97为28μm的中间相沥青粉末的质量比为2:1分别投入乙醇与去离子水的混合溶液中，乙醇与去离子水的质量比为1:1，通过搅拌分散均匀后倒入模具ii中，模具ii底部设有多孔底板，以及在所述底板上铺设有滤布，滤布为400目，滤出液体后，将模具ii转移至干燥箱中进行常压干燥；干燥温度为80℃，干燥时间为6h；
3、将干燥后的模具ii置于保护气氛中，同时在模具ii顶部施加10MPa压力，且该热压机具有通惰性气氛中的管道进行吹扫，惰性气体为氮气，流量为5L/min，并对模具ii进行加热，以1℃/min的升温速率升温至900℃以初步炭化，然后自然冷却、脱模，得到网络结构。
4、将上述网络结构进行二次炭化，以10℃/min的升温速率升温至3200℃得到碳纤维毡。
5、采用真空浸渍的方法向上述碳纤维毡中浸渍硅橡胶胶液，浸渍后经100℃固化1h获得高导热碳纤维毡导热强化硅橡胶复合材料；
实施例3
1、将10g直径13μm长度为10mm且已知是辐射状截面结构的中间相沥青纤维平铺在坩埚中，随后将坩埚放置在预氧化炉中进行预氧化，氧化气氛为空气，流量为10L/min，温度制度为1℃/min从室温升温至300℃并保温1h，从而获得充分预氧化的中间相沥青预氧化纤维；
2、将上述中间相沥青预氧化纤维与Dv50为4μm、Dv97为21μm的中间相沥青粉末的质量比为10:1混合，并通过气体介质分散均匀后装入模具i中，随后将模具i放在在热压机中，从模具的顶部施加压力为10MPa，且该热压机具有通惰性气氛中的管道进行吹扫，惰性气体为氮气，流量为5L/min，并对模具进行加热，以1℃/min的升温速率升温至900℃以初步炭化，然后自然冷却、脱模，得到网络结构。
3、将上述网络结构进行二次炭化，以10℃/min的升温速率升温至3200℃得到碳纤维毡。
4、采用真空浸渍的方法向上述碳纤维毡中浸渍硅橡胶胶液，浸渍后经100℃固化1h获得高导热碳纤维毡导热强化硅橡胶复合材料；
实施例4
1、将10g直径32μm长度为3mm且已知是辐射状截面结构的中间相沥青纤维平铺在坩埚中，随后将坩埚放置在预氧化炉中进行预氧化，氧化气氛为空气，流量为10L/min，温度制度为1℃/min从室温升温至300℃并保温4h，从而获得充分预氧化的中间相沥青预氧化纤维；
2、将上述中间相沥青预氧化纤维与Dv50为3μm、Dv97为18μm的中间相沥青粉末的质量比为5:1混合，并通过气体介质分散均匀后装入模具i中，随后将模具i放在在热压机中，从模具的顶部施加压力为5Mpa，且该热压机具有通惰性气氛中的管道进行吹扫，惰性气体为氮气，流量为5L/min，并对模具进行加热，以0.1℃/min的升温速率升温至500℃以初步炭化，然后自然冷却、脱模，得到网络结构。
3、将上述网络结构进行二次炭化，以100℃/min的升温速率升温至2400℃得到碳纤维毡。
4、采用真空浸渍的方法向上述碳纤维毡中浸渍环氧树脂胶液，环氧树脂胶液由环氧树脂E51与三乙烯四胺质量比为10:1混合而成，浸渍后经常温固化24h获得高导热碳纤维毡导热强化环氧树脂复合材料；
实施例5
1、将10g直径7μm长度为3mm且已知是辐射状截面结构的中间相沥青纤维平铺在坩埚中，随后将坩埚放置在预氧化炉中进行预氧化，氧化气氛为空气，流量为10L/min，温度制度为1℃/min从室温升温至300℃，从而获得充分预氧化的中间相沥青预氧化纤维；
2、将上述中间相沥青预氧化纤维与Dv50为3μm、Dv97为18μm的中间相沥青粉末的质量比为5:1混合，并通过气体介质分散均匀后装入模具i中，随后将模具i放在在热压机中，从模具的顶部施加压力为5Mpa，且该热压机具有通惰性气氛中的管道进行吹扫，惰性气体为氮气，流量为5L/min，并对模具进行加热，以0.1℃/min的升温速率升温至500℃以初步炭化，然后自然冷却、脱模，得到网络结构。
3、将上述网络结构进行二次炭化，以100℃/min的升温速率升温至3000℃得到碳纤维毡。
4、采用真空浸渍的方法向上述碳纤维毡中浸渍硅橡胶胶液，浸渍后经100℃固化1h获得高导热碳纤维毡导热强化硅橡胶复合材料；
实施例6
1、将10g直径61μm长度为10mm且已知是辐射状截面结构的中间相沥青纤维平铺在坩埚中，随后将坩埚放置在预氧化炉中进行预氧化，氧化气氛为空气，流量为10L/min，温度制度为1℃/min从室温升温至300℃并保温10h，从而获得充分预氧化的中间相沥青预氧化纤维；
2、将上述中间相沥青预氧化纤维与Dv50为15μm、Dv97为40μm的中间相沥青粉末的质量比为6:1混合，并通过气体介质分散均匀后装入模具i中，随后将模具i放在在热压机中，从模具的顶部施加压力为20MPa，且该热压机具有通惰性气氛中的管道进行吹扫，惰性气体为氮气，流量为5L/min，并对模具进行加热，以1℃/min的升温速率升温至500℃以初步炭化，然后自然冷却、脱模，得到网络结构。
3、将上述网络结构进行二次炭化，以10℃/min的升温速率升温至3200℃得到碳纤维毡。
4、采用真空浸渍的方法向上述碳纤维毡中浸渍环氧树脂胶液，环氧树脂胶液由环氧树脂E51与三乙烯四胺质量比为10:1混合而成，浸渍后经常温固化24h获得高导热碳纤维毡导热强化环氧树脂复合材料。
对比例1
本实施例与实施例2的不同在于采用1000℃炭化处理过的辐射状截面结构的中间相沥青碳纤维为原料，其余参数与步骤与实施例2相同；
对比例2
本实施例与实施例2的不同在于采用质量比为1:1且已知为洋葱皮结构的中间相沥青纤维与辐射状截面结构的中间相沥青纤维为初始原料，其余参数与步骤与实施例2相同
将实施例1～6以及对比例1～2所提供的骨架材料和复合材料进行测试，测试包括：
1、通过碳纤维毡的质量与体积的比值计算其密度，质量通过分析天平测得，体积通过千分尺测量尺寸后计算获得；
2、采用Hot Disk TPS2500s热流仪测试碳纤维毡及其复合材料样品的导热系数，直径25mm厚2mm；
3、采用CTM2500万能材料试验机测试碳纤维毡在X/Y方向以及Z方向的抗压强度，测试样品的尺寸为10*10*10mm3，测试速率为1mm/min
4、通过AutoPore V 9620压汞仪测试碳纤维毡的孔隙率和中值孔径；
5、采用扫描电子显微镜对碳纤维毡的微观结构进行观察；
表1
Figure BDA0003888414150000111
由实施例1～6的测试结果可知，通过本发明制备的中间相沥青碳纤维毡具有密度、孔隙率可调的特征，且该类型的碳纤维毡具备高强度特征，其X/Y方向抗压强的数值高于Z方向抗压强度，其比值为R，其范围为1＜R≤2.5；通过该类型的碳纤维毡制备的复合材料具有较高的导热系数；
由实施例2制备的碳纤维毡的粘结点的典型微观结构照片(图2)可知，粘结点不开裂，中间相沥青粘结剂形成的碳质粘结点使得两根纤维通过碳质粘结点紧密粘结；
由对比例1制备的碳纤维毡的粘结点的典型显微结构照片(图3)可知，粘结点开裂；
由对比例2制备的碳纤维毡的粘结点的显微结构照片(图4)可知，洋葱皮结构的纤维与辐射状结构的纤维直接不能通过中间相沥青粘结剂的共同热处理形成层层对接的结构；
由实施例2与对比例1可知，碳纤维直接制备的碳纤维毡在粘结点处，其粘结点易开裂，而以预氧化纤维同中间相沥青粘结剂共同经历热处理，收缩率的匹配性好，有效的避免了碳质粘结点的开裂，从而有利于中间相沥青基碳纤维毡的抗压强度的提升和以其制备的复合材料的导热系数的增加。
中间相沥青作为粘结剂的优势在于碳收率高，易形成石墨化片层结构，而碳材料的热传导主要是晶格振动，因此碳材料中形成的石墨微晶尺寸越大，晶格缺陷越少，导热系数越高。因此采用预氧化纤维，和中间相沥青共同经历碳化过程，有利于形成良好粘结的碳结构，而采用边缘辐射状纤维(该晶体片层排列取向结构通常在纺丝阶段形成)，有利于与中间相沥青在碳化过程中逐步形成的石墨微晶进行层层对接(图5)，铆接成大尺寸的石墨微晶。该层层铆接现象是基于界面能最小化原则，当微晶片层边缘相遇时，会连续长大(活性基团发生化学反应)，形成更大尺寸的石墨微晶。这种结构有利于导热的大幅提升。而对比例中采用洋葱皮截面结构碳纤维，由于对中间相沥青粘结剂相接处为纤维的微晶面内，因而无法形成边缘铆接现象，不能形成连续的石墨微晶片层，取而代之的是存在多个微晶界面的碳结构，因此其导热率无法达到边缘辐射状碳纤维的效果。
对实施例1、实施例4、实施例6中所述的碳纤维毡的不同位置取样(取样示意如图6)12个进行均匀性测试，测试项目包括碳纤维毡的密度、Z方向抗压强度与导热系数，取其结果如表2所示
表2
Figure BDA0003888414150000121
由表2中实施例1、实施例4以及实施例6的碳纤维毡的导热系数低于相应复合材料的导热系数(表1)，其原因为基体材料替代了空气，而空气的导热系数低于基体材料，此外从碳纤维毡制备成复合材料后其样品的体密度及焓值也相应有所增大，以上综合导致复合材料的导热系数高于碳纤维毡的导热系数。
由表2中实施例1、实施例4以及实施例6所述样品的密度、抗压强度、导热系数三个方面的测试结果可知，本技术方案所提供的样品具有很好的均匀性。
由表2中实施例1、实施例4、实施例6与对比例1的测试结果对比可知，将常规采用碳纤维为原材料的制备方法更换为本技术方案中采用预氧化纤维为原料的制备方法后在密度、强度、导热系数方面表现出了更优异的均匀性，这与预氧化纤维表面具有较多含氧官能团有着密切联系，预氧化纤维中的含氧官能团有利于沥青粉末的均匀分布与沥青受热熔融后在预氧化纤维表面的均匀流动与浸润。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种碳纤维毡的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将中间相沥青纤维充分预氧化并短切后，与中间相沥青粉末混合，模压成型，并于保护气氛中进行初步碳化，得到网络材料；或者
将中间相沥青纤维充分预氧化并短切后，于液体介质中与中间相沥青粉末混合得到分散液；于保护气氛中干燥、模压成型以及初步炭化，得到网络材料；
对所述网络材料进行二次炭化，得到所述碳纤维毡。
2.如权利要求1所述的碳纤维毡的制备方法，其特征在于：
所述中间相沥青预氧化纤维所述中间相沥青粉末的质量比为1-10:1；
所述初步炭化的温度为500℃～1000℃；
所述初步炭化的升温速率为0.1℃/min～10℃/min。
3.如权利要求1所述的碳纤维毡的制备方法，其特征在于：
所述模压成型采用的压力大于等于0.1MPa并且小于等于20MPa。
4.如权利要求1所述的碳纤维毡的制备方法，其特征在于：
所述的中间相沥青纤维的外径为7～60μm，
所述的中间相沥青纤维经短切后长度为0.5～10mm；
所述的中间相沥青纤维的碳纤维截面结构为碳层排列成辐射状；
所述辐射状包括开裂辐射状、不开裂辐射状、边缘辐射状或异型结构辐射状。
5.如权利要求1所述的碳纤维毡的制备方法，其特征在于：
所述中间相沥青粉末的制备方法包括球磨、气流粉碎或机械粉碎；
所述中间相沥青粉末的粒径Dv97≤40μm。
6.如权利要求1所述的碳纤维毡的制备方法，其特征在于：
所述二次炭化的温度为1000℃～3200℃；
所述二次炭化的升温速率为0.1℃/min～100℃/min。
7.如权利要求1所述的碳纤维毡的制备方法，其特征在于：
所述碳纤维毡的密度为0.4～1.2g/cm3。
8.如权利要求1所述的碳纤维毡的制备方法，其特征在于：
所述碳纤维毡中任意两根碳纤维之间的碳质粘结点完整无开裂现象。
9.如权利要求1所述的碳纤维毡的制备方法，其特征在于：
所述碳纤维毡中任意两根碳纤维的碳层结构之间层层对接。
10.一种如权利要求1所述的碳纤维毡的应用，其特征在于：
应用于作为高导热和/或高强复合材料的增强体，或者
应用于作为包含热界面材料的导热填充物。
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