[发明专利]一种超高导热、高强度石墨块体材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种超高导热、高强度石墨块体材料及其制备方法，属于石墨块体材料及其制备工艺技术领域，解决目前高导热石墨块体材料存在的力学性能偏低问题。采用高纯天然石墨粉为传热增强体、优质中间相沥青为粘结剂、硅‑钛‑钼三组元为催化石墨化助剂，经高温热压烧结而成。本发明提供的石墨块体材料热导率大于600W/mK，抗弯强度大于50MPa，有望在航天飞行器热防护、核聚变第一壁、高功率密度电子器件等高热流多样化工况领域发挥重大作用。本发明制备方法简单、制备周期短、成品率高、重复性稳定性好，适合大规模生产。

技术领域

本发明属于石墨块体材料及其制备工艺技术领域，具体涉及的是一种超高导热、高强度石墨块体材料及其制备方法。

背景技术

高新技术领域的高热流多样化工况发展，对热管理材料的热量承载和散热提出了很高的要求，既要材料具有高导热、轻质特性，又要材料具有高温承载和优异力学特性。

石墨材料以其超高的理论热导率（单晶石墨理论导热系数高达 2200W/mK，是传统金属热控件的5~12倍）、轻质、低膨胀系数、耐腐蚀、耐高温和易加工等优势成为一种理想的高效热管理材料。但是普通石墨块体导热率远远低于单晶石墨，仅限于 70~150W/mK，材料内部石墨微晶尺寸小、取向度差是导致其热导率受限的主要原因。

为此，各国科研工作者开展了大量提高石墨块体材料导热性能的研发工作，主要开发了高定向热解石墨（由热解炭在应力作用下、3000℃以上高温热处理而得，室温热导率可达1600~2000W/mK）、高结晶度石墨（由高度取向聚酰亚胺薄膜经层叠、压制、炭化、石墨化制得，热导率达1000~1800 W/mK）和热压再结晶石墨（由易石墨化原料加催化石墨化组元热压烧结而成）等超高导热石墨块体材料。高定向热解石墨和高结晶度具有超高热导率，但其制备工艺复杂、制备难度大，成本高及材料表现脆性和弱层间结合力，开发至今未见应用。热压再结晶石墨是近年来开发和应用较为集中的高导热石墨块体材料。

热压再结晶石墨最开始研究采用的原料是普通煅烧焦、普通沥青和硅、钛、锆催化剂，所制备的石墨热导率偏低（＜500W/mK）【专利：CN01130543.6】。近年来，科研工作者逐渐认识到天然鳞片石墨高导热性能（面内导热率近1000W/mK）和粘结剂中间相沥青易石墨化特性，通过添加钛-硅二组元催化剂，在2700~3000℃高温热压下制得导热率为600~745 W/mK的超高导热石墨块体材料【专利：CN 200610102224.9】，该材料已于成功应用于我国北斗导航卫星高功率密度器件的热管理装置中，但其偏低的力学性能（抗弯强度20MPa左右）影响着其加工性和应用领域，仅限于用在对材料强度要求不高的一些散热领域。究其原因，适度硅、钛催化组元的添加极大促进了炭基体向石墨结构转化进程，有益于材料传导性能的提升，但硅组元在高温阶段的全部逸出和钛组元在高温阶段的大部分逸出，是热压再结晶石墨力学性能降低的主要原因。赵云等人【Carbon, 2013, 53: 313-20】曾试图通过添加少量短切高导热中间相沥青基炭纤维（4~5mm）来提高其力学性能，结果发现增强效果甚微。

发明内容

本发明旨在提供一种超高导热、高强度、易加工石墨块体材料的制备方法，解决目前高导热石墨块体材料存在的力学性能偏低问题。

本发明的设计构思为：选用高纯度天然鳞片石墨粉为传热增强体、优质中间相沥青为粘结剂、硅-钛-钼三组元为催化石墨化助剂，经高温热压烧结制得超高导热、高强度石墨块体材料。本发明通过高温热压应力石墨化和三组元不同温区催化石墨的协同作用来促进材料内部微晶的石墨化结构转变，达到提高材料热导率的效果；通过高温区碳化钼稳定存在来达到增强材料力学性能的目的。

本发明通过以下技术方案予以实现。