一种高导热碳纤维织物复合材料及其制备方法

专利名称：一种高导热碳纤维织物复合材料及其制备方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211265242.4

专利申请（专利权）人：厦门大学,厦门大学九江研究院
权利人地址：福建省厦门市思明区思明南路422号

专利发明（设计）人：张学骜,程书建,郭晓晓,林明源,蔡加法

专利摘要：一种高导热碳纤维织物复合材料及其制备方法，按质量比计包括以下原料：碳纤维织物35％～60％，聚合物基体10％～45％，导热短切碳纤维5％～35％，固化剂5％～40％，成膜剂5％～15％。本发明通过机械搅拌，使导热短切碳纤维均匀、稳定分散于聚乙烯醇溶液中。导热短切碳纤维溶液置于磁场下，由于朗道抗磁性，使其在磁场中旋转，由高能态向低能态转换，直至导热短切碳纤维轴平行于外加磁场方向，能量达到最低态，实现导热短切碳纤维在聚乙烯醇溶液定向排列；真空抽滤使导热短切碳纤维垂直植入碳纤维织物中，充分利用导热短切碳纤维轴向高热导率特性，通过植入垂直定向排列导热短切碳纤维，提升碳纤维织物复合材料厚度方向导热性能。

主权利要求：
1.一种高导热碳纤维织物复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将聚乙烯醇加入到去离子水中，搅拌和加热，得到聚乙烯醇溶液；
2）将导热短切碳纤维加入聚乙烯醇溶液中，滴加丙三醇，并进行机械搅拌，超声分散，得到导热短切碳纤维分散液；
3）将碳纤维织物放置于真空抽滤膜上，加入导热短切碳纤维分散液，并施加磁场；
4）开启真空泵，将导热短切碳纤维分散液中的水分抽到滤瓶内，导热短切碳纤维在磁场作用下定向排列，真空负压使导热短切碳纤维垂直植入碳纤维织物，得到碳纤维织物混合物；
5）将抽滤完成的碳纤维织物混合物转移至电热恒温鼓风干燥箱，加热干燥、固化；
6）将固化的碳纤维织物混合物放入模具，并浇注聚合物基体、固化剂，移至真空烘箱，加热固化，得到高导热碳纤维织物复合材料；
所述一种高导热碳纤维织物复合材料，按质量比计，包括以下原料：碳纤维织物35%～
60%，聚合物基体10%～45%，导热短切碳纤维5%～35%，固化剂5%～40%，成膜剂5%～15%，所述成膜剂包括聚乙烯醇和丙三醇。
2.如权利要求1所述的一种高导热碳纤维织物复合材料的制备方法，其特征在于：所述碳纤维织物为高强度碳纤维，厚度为0.2～1mm。
3.如权利要求1所述的一种高导热碳纤维织物复合材料的制备方法，其特征在于：所述聚合物基体为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂和硅橡胶中的至少一种。
4.如权利要求1所述的一种高导热碳纤维织物复合材料的制备方法，其特征在于：所述导热短切碳纤维为中间相沥青基碳纤维，直径为5～10μm，长度为25～200μm。
5.如权利要求1所述的一种高导热碳纤维织物复合材料的制备方法，其特征在于：所述固化剂选自双氰胺、甲基六氢邻苯二甲酸酐、含氢硅油中的至少一种。
6.如权利要求1所述的一种高导热碳纤维织物复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤3）中，外加磁场的磁感应强度为0.1～1特斯拉。 说明书 : 一种高导热碳纤维织物复合材料及其制备方法技术领域[0001] 本发明涉及导热复合材料领域，尤其涉及一种高导热碳纤维织物复合材料及其制备方法。背景技术[0002] 随着电子器件密度的逐渐增加，电子设备所产生的热量迅速积累。为保证电子器件长时间可靠的工作，必须阻止器件工作温度的升高，因此，散热能力成为影响电子器件使用寿命的重要因素。[0003] 碳纤维织物复合材料因为具有高强度、低密度等优点，获得广泛应用。但是，碳纤维织物复合材料厚度方向导热性能差，为满足电子、航空航天、军事装备等诸多制造业及高科技领域的发展需求，制备具有优良综合性能的高导热碳纤维织物复合材料成为该领域的研究热点，受到越来越多的关注。[0004] 目前，国内外高导热碳纤维织物复合材料的研究集中在填充高导热粒子，主要采用的填料为铜、金刚石、石墨烯、碳纤维、氧化铝等。然而，现有的技术中并没有解决填料的排序问题，厚度方向导热性能差，热导率仅为0.7～1W/(m·K)。导热短切碳纤维(中间相沥2青基碳纤维)作为一种由碳原子以sp杂化轨道组成六角形蜂窝状晶格结构碳材料，取向度较高，具有优异的导热性能，轴向热导率达到900W/(m·K)，是普通导热材料的数十倍。但是，导热短切碳纤维的轴向热导率较高，径向的热导率较低。因此，碳纤维织物中垂直定向排列导热短切碳纤维，有望显著提升碳纤维织物复合材料厚度方向导热性能。发明内容[0005] 本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种高导热碳纤维织物复合材料及其制备方法。[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：[0007] 所述高导热碳纤维织物复合材料，包括质量分数碳纤维织物35％～60％，聚合物基体10％～45％，导热短切碳纤维5％～35％，固化剂5％～40％，成膜剂5％～15％。[0008] 所述碳纤维织物为高强度碳纤维，厚度为0.2～1mm。[0009] 所述聚合物基体为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂和硅橡胶中的至少一种。[0010] 所述导热短切碳纤维为中间相沥青基碳纤维，直径可为5～10μm，长度可为25～200um。[0011] 所述成膜剂可选自聚乙烯醇和丙三醇。[0012] 所述固化剂可选自双氰胺、甲基六氢邻苯二甲酸酐、含氢硅油中的至少一种。[0013] 所述高导热碳纤维织物复合材料的制备方法，包括以下步骤：[0014] 1)聚乙烯醇加入到去离子水中，搅拌和加热，得到聚乙烯醇溶液。[0015] 2)将导热短切碳纤维加入聚乙烯醇溶液中，滴加丙三醇，并进行机械搅拌，超声分散，得到分散体；[0016] 3)将碳纤维织物放置真空抽滤膜上，加入导热短切碳纤维分散液，并施加磁场；[0017] 4)开启真空泵，将分散液中水分抽到滤瓶内，导热短切碳纤维在磁场作用下整齐排列，真空负压使导热短切碳纤维垂直植入碳纤维织物；[0018] 5)将抽滤完成的碳纤维织物混合物转移至电热恒温鼓风干燥箱，加热干燥、固化。[0019] 6)将固化的碳纤维织物混合物放入模具，并浇注聚合物、固化剂，移至真空烘箱，加热固化，得到高导热碳纤维织物复合材料。[0020] 在步骤3)中，所述外加磁场的磁感应强度为0.1～1特斯拉，导热短切碳纤维需要在磁场中定向排列。[0021] 相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：[0022] 1)本发明通过机械搅拌，使导热短切碳纤维分散于聚乙烯醇溶液中，导热短切碳纤维能够均匀、稳定存在于聚乙烯醇溶液中，不需要分散剂。[0023] 2)导热短切碳纤维溶液置于磁场下，由于朗道抗磁性，使其在磁场中旋转，由高能态向低能态转换，直至导热短切碳纤维轴平行于外加磁场方向，能量达到最低态，实现导热短切碳纤维在聚乙烯醇溶液定向排列；真空抽滤使导热短切碳纤维垂直植入碳纤维织物中，充分利用导热短切碳纤维轴向高热导率特性，通过植入垂直定向排列导热短切碳纤维，提升碳纤维织物复合材料厚度方向导热性能。[0024] 3)本发明制备方法简单方便，易于推广。附图说明[0025] 图1为实施例3制备的碳纤维织物垂直植入定向排列导热短切碳纤维光学显微镜图；[0026] 图2为实施例3高导热碳纤维织物复合材料截面的扫描电子显微镜图。具体实施方式[0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0028] 一种高导热碳纤维织物复合材料制备方法，包括35％～60％碳纤维织物，所述碳纤维织物为高强度碳纤维，厚度0.2～1mm；导热短切碳纤维5％～35％，所述导热短切碳纤维直径5～10μm、长度25～200nm；10％～45％聚合物基体，所述聚合物基体为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂和硅橡胶中的至少一种；5％～40％固化剂，所述固化剂可选自双氰胺、甲基六氢邻苯二甲酸酐、含氢硅油中的至少一种；5％～15％成膜剂，所述成膜剂可选自聚乙烯醇和丙三醇，磁铁(磁感应强度0.1～1特斯拉)；[0029] 按照上述各重量组分的配比材料，首先，用去离子水溶解聚乙烯醇，获得聚乙烯醇溶液，依次将碳纤维、丙三醇加入到聚乙烯醇溶液中，并进行机械搅拌、超声分散。其次，将碳纤维织物置于滤膜上，施加磁场，浇注导热短切碳纤维溶液，抽滤，导热短切碳纤维定向排列，并垂直植入碳纤维织物，加热干燥、固化。最后，将固化完成的碳纤维织物与聚合物基体复合，获得高导热碳纤维织物复合材料。该高导热碳纤维织物复合材料采用导热短切碳纤维为填料，采用机械搅拌混合、超声分散、磁场诱导定向、真空抽滤等简单方法，用几个步骤就可以制得高导热碳纤维织物复合材料。[0030] 具体地，所述高导热碳纤维织物复合材料的制备流程如下所示：[0031] a.聚乙烯醇加入到去离子水中，搅拌和加热，加热温度95℃，加热时间2小时，得到聚乙烯醇溶液；[0032] b.将导热短切碳纤维、丙三醇加入聚乙烯醇溶液中，并进行机械搅拌，超声分散；[0033] c.将碳纤维织物放置在真空抽滤膜上，施加磁场，浇注导热短切碳纤维溶液，抽真空，导热短切碳纤维垂直植入碳纤维织物中；[0034] d.上述碳纤维织物移至电热恒温鼓风干燥箱中，加热干燥、固化；[0035] e.将固化完成的碳纤维织物放置于模具中，浇注聚合物基体、固化剂，转移至真空干燥箱，进一步加热固化。[0036] 以下给出具体实施例。[0037] 实施例1[0038] 一种高导热碳纤维织物复合材料，包括35％碳纤维织物、5％导热短切碳纤维、10％聚乙烯醇、5％丙三醇、35％聚合物、10％固化剂。所述导热短切碳纤维直径10μm、长度200um。对制备的产品进行热导率测试，结果见表1。[0039] 实施例2[0040] 一种高导热碳纤维织物复合材料，包括60％碳纤维织物、5％导热短切碳纤维、5％聚乙烯醇、5％丙三醇、20％聚合物、5％固化剂。所述导热短切碳纤维直径5μm、长度25um。对制备的产品进行热导率测试，结果见表1。[0041] 实施例3[0042] 一种高导热碳纤维织物复合材料，包括40％碳纤维织物、35％导热短切碳纤维、5％聚乙烯醇、5％丙三醇、10％聚合物、5％固化剂。所述导热短切碳纤维直径10μm、长度25um。对制备的产品进行热导率测试，结果见表1。[0043] 如图1～2所示，实施例3所制备的产品中，导热短切碳纤维规则排列，垂直碳纤维织物上下表面。[0044] 实施例4[0045] 一种高导热碳纤维织物复合材料，包括35％碳纤维织物、5％导热短切碳纤维、5％聚乙烯醇、5％丙三醇、45％聚合物、5％固化剂。所述导热短切碳纤维直径10μm、长度150um。对制备的产品进行热导率测试，结果见表1。[0046] 实施例5[0047] 一种高导热碳纤维织物复合材料，包括35％碳纤维织物、10％导热短切碳纤维、7.5％聚乙烯醇、7.5％丙三醇、20％聚合物、20％固化剂。所述导热短切碳纤维直径5μm、长度200um。对制备的产品进行热导率测试，结果见表1。[0048] 表1[0049]实施例 碳纤维织物含量(Wt％) 导热短切碳纤维含量(Wt％) 热导率W/(mK)1 35％碳纤维织物 5％导热短切碳纤维 1.62 60％碳纤维织物 5％导热短切碳纤维 1.83 40％碳纤维织物 35％导热短切碳纤维 5.54 35％碳纤维织物 5％导热短切碳纤维 1.55 35％碳纤维织物 10％导热短切碳纤维 2[0050] 本发明将导热短切碳纤维、丙三醇加入到PVA溶液中，并进行机械搅拌、超声分散，获得导热短切碳纤维溶液。将碳纤维织物放置在真空抽滤膜上，施加磁场，浇注导热短切碳纤维溶液，抽真空，导热短切碳纤维垂直植入碳纤维织物中。将固化的碳纤维织物混合物放入模具，并浇注聚合物，移至真空烘箱，加热固化，得到高导热碳纤维织物复合材料。该复合材料采用磁场诱导导热短切碳纤维定向，并通过真空抽滤的方法将其垂直植入碳纤维织物，用简单的步骤就可以制得高导热碳纤维织物复合材料。[0051] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

专利地区：福建

专利申请日期：2022-10-17

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN115558241B