[发明专利]一种碳纤维/碳/石墨复合碳毡及其增强聚合物复合材料导热导电性能的方法

说明书

本发明提供了一种碳纤维/碳/石墨复合碳毡及其增强聚合物复合材料导热导电性能的方法，首先，利用气流作用制备水平层层堆叠碳纤维毡，然后通过浸渍将一层聚合物包裹于碳纤维表面，在高温下碳化处理得到碳包裹碳纤维的碳纤维/碳复合框架。将碳纤维/碳复合毡浸渍于石墨胶分散液中，使大量的石墨进一步粘附在复合毡上，干燥后按照一定比例压缩使其排列更加密集并且强化取向结构制备得到具有三层级碳杂化纤维结构的复合碳毡。真空下在聚合物预聚体浸渍后，高温固化并且退火得到复合材料；该复合碳材料毡中具有导热导电取向多级网络结构，可以在复合材料中形成高效导热导电通路，较少填料接触热阻，帮助聚合物获得超高的导热导电性能，满足现今电子电器设备的热管理要求。

技术领域

本发明属于导热导电复合材料制备技术领域，涉及一种碳纤维/碳/石墨复合碳毡及其增强聚合物复合材料导热导电性能的方法。

背景技术

器件的微型化和高度集成赋予电子产品多功能、高效率的同时，也使得电子电气产品中单位空间的工作功率大幅提升，由此产生了大量的热量，产生了严重的散热问题。电子元器件的耗散生热会直接导致电子设备温度的升高和热应力的增加，对微电子设备的工作可靠性造成严重威胁。工业界普遍认为未来电子产品发展的瓶颈不是硬件本身和散热设计，而是是否能制备有效的散热材料。进行复合材料的结构设计，提升复合材料的导热性能，解决现代电子产品中日益严重的热失效问题，是目前国际电子电气研究领域的重点研究方向。

聚合物材料重量轻，耐腐蚀，易于加工并且具有良好的绝缘性和机械性能，但是其导热系数相对较低。因此，它不能满足微电子，航空航天，汽车制造和节能建筑领域对材料导热性的要求。碳纤维、石墨等碳材料，作为高导热材料，具有低密度和良好的机械性能。聚合物复合材料，碳纤维和增强的导热填料已成为现阶段科研人员的主流方向，碳材料可以帮助聚合物获得超高的导热导电性能，满足现今电子电器设备的热管理要求；且如何通过改善得到导热导电性能更佳的聚合物复合材料已成为现有技术领域普遍关注的问题和研究的重点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有碳材料增强聚合物导热导电性能上制备以及工艺的不足，提供一种具有超高导热性、导电性和良好的力学等综合性能特点的复合碳毡及其制备方法，并实现了其在聚合物基导热复合材料中的应用。本发明利用气流作用制备水平层层堆叠取向的直径分布均一的碳纤维毡，然后通过浸渍将一层聚合物包裹于碳纤维表面，在高温碳化得到碳包裹碳纤维的整体不松散的碳纤维/碳复合毡。将碳纤维/碳复合毡浸渍于石墨胶分散液中，使大量的石墨进一步粘附在复合毡上，干燥后按照一定比例压缩使其排列更加密集制备得到复合碳毡。石墨排列真空下在聚合物预聚体浸渍后，高温固化并且退火得到复合材料。压缩可以使碳纤维、石墨和碳层之间接触更加紧密，强化碳纤维和石墨的取向排列结构。可以在复合材料中形成更多丰富且取向的声子和电子传导通路，相比原有单一碳纤维复合材料的导热导电性能明显增强，满足现今电子电器设备热管理要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种碳纤维/碳/石墨复合碳毡，所述复合碳毡的制备方法包括以下步骤：

(1)利用气流技术制备水平层层堆叠碳纤维毡；

(2)将步骤(1)中得到的碳纤维毡浸渍于聚合物中，干燥，在碳纤维毡表面包裹一层聚合物；

(3)碳化，得到碳包裹碳纤维毡的碳纤维/碳复合毡；

(4)将碳纤维/碳复合毡浸渍于石墨胶分散液中，使石墨粘附在碳纤维/碳复合毡上；

(5)干燥，压缩，得到排列更加密集且强化取向，得到碳纤维/碳/石墨复合碳毡。

本发明进一步包括以下优选的技术方案：

优选的技术方案中，步骤1)中，所得到的水平层层堆叠碳纤维毡为碳纤维类似于无纺布结构，在平面内取向，碳纤维在x,y平面内呈现任意排列的结构。

优选的技术方案中，所述碳纤维直径为10-200μm；