一種高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料及其制備方法，屬于高導(dǎo)熱碳基復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，熱管理和熱耗散成為許多領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。各種空天飛行器(飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星及各類航天器)中都需要精確的電子設(shè)備控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及對(duì)空天武器的精確控制和制導(dǎo)，這些電子設(shè)備需要在特定的溫度條件下工作才能滿足使用的要求。并且，隨微電子技術(shù)和制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備集成程度越來(lái)越高，能量密度越來(lái)越大，產(chǎn)生的熱量越來(lái)越多，為確保設(shè)備穩(wěn)定工作，需要應(yīng)用高性能的高導(dǎo)熱材料對(duì)其進(jìn)行有效的熱管理。空天飛行器的局部高溫部件應(yīng)用環(huán)境苛刻，溫度高、熱應(yīng)力突出，需要輕質(zhì)、耐高溫的高導(dǎo)熱材料發(fā)揮熱疏導(dǎo)功能，從而簡(jiǎn)化防熱設(shè)計(jì)，提升飛行器的可靠性。傳統(tǒng)的金屬(鋁、銅)導(dǎo)熱材料由于其本身密度較大、熱膨脹系數(shù)較高、微量雜質(zhì)導(dǎo)致熱導(dǎo)率大幅下降等缺陷，很難滿足發(fā)展需求。因此，對(duì)新型高導(dǎo)熱材料的研發(fā)至關(guān)重要。
[0003]高導(dǎo)熱碳基復(fù)合材料具有低密度、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，使其成為目前最有應(yīng)用前景的高導(dǎo)熱候選材料，廣泛應(yīng)用于空天飛行器的熱管理、熱疏導(dǎo)、高能電子等領(lǐng)域，例如電子器件冷卻系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、空間低溫系統(tǒng)、熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)熱管理部件的小型化、裝置輕量化、結(jié)構(gòu)緊湊化和運(yùn)行高效化。
[0004]現(xiàn)有的高導(dǎo)熱石墨泡沫材料，由于其石墨片層結(jié)構(gòu)高度發(fā)展，以及其多孔的結(jié)構(gòu)及尚開孔率的特點(diǎn)決定了石墨泡沫的力學(xué)性能不尚，同時(shí)其導(dǎo)熱性能提尚有限，難以滿足更高能量密度的熱管理器件的應(yīng)用需求。高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料作為新型的高導(dǎo)熱碳基復(fù)合材料，具有耐高溫高強(qiáng)度等特點(diǎn)，但是其增強(qiáng)基為高導(dǎo)熱纖維編織預(yù)制體，高導(dǎo)熱纖維原材料只能進(jìn)口，且價(jià)格昂貴，加上織物編織費(fèi)用高，周期長(zhǎng)，很難批量應(yīng)用，且隨時(shí)面臨關(guān)鍵原材料高導(dǎo)熱纖維進(jìn)口受限的問題。如何提供一種密度、熱導(dǎo)率滿足要求且適用于批量生產(chǎn)的復(fù)合材料，是本領(lǐng)域亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料的制備方法，適用于批量材料，該材料的密度在1.3g/cm3以上，熱導(dǎo)率可達(dá)到300W/m.K以上。
[0006]本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]—種高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料的制備方法，具體步驟如下:
[0008]步驟(一)、以中間相瀝青為前驅(qū)體制備高導(dǎo)熱石墨泡沫作為增強(qiáng)基，所述高導(dǎo)熱石墨泡沫增強(qiáng)基的密度為0.5?0.9g/cm3，熱導(dǎo)率大于100W/m.Κ，孔隙率在39?77%，開孔率大于85% ;
[0009]步驟(二)、將步驟(一)制備的石墨泡沫增強(qiáng)基進(jìn)行中間相瀝青或煤瀝青浸漬；其中中間相瀝青浸漬溫度為280-370°C，煤瀝青浸漬溫度為160-240°C，浸漬壓力為15-70MPa，保壓時(shí)間為l_5h ；
[0010]步驟(三)、將步驟(二)浸漬中間相瀝青或煤瀝青后的石墨泡沫進(jìn)行碳化處理；
[0011]步驟(四)、將步驟(三)碳化處理后得到的碳基復(fù)合材料放入高溫爐中進(jìn)行高溫處理；
[0012]步驟(五)、判斷復(fù)合材料密度是否超過設(shè)定閾值，沒有超過設(shè)定閾值則返回步驟(二)，增加中間相瀝青或煤瀝青浸漬時(shí)的浸漬壓力；復(fù)合材料密度超過設(shè)定閾值，執(zhí)行步驟(六)；
[0013]步驟(六)、將碳基復(fù)合材料進(jìn)行超高溫石墨化處理，制備得到高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料。
[0014]上述高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料的制備方法中，步驟(三)中碳化處理工藝曲線為:室溫?350°C，升溫速率為5?15°C /min ；350?500°C，升溫速率為1?5°C /min ；500°C，保溫 1 ?10h ；500 ?650°C，升溫速率為 1 ?5°C /min ;650°C，保溫 1 ?10h ；650 ?900°C，升溫速率為3?5°C /min, 900°C，保溫1?5h ;自由降溫。
[0015]上述高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料的制備方法中，步驟(四)中高溫處理工藝曲線為:室溫?900 °C，升溫速率為10?20°C /min ；900?1200 °C，升溫速率為5?10°C /min ;1200°(:保溫1?511 ;1200°C?目標(biāo)處理溫度，升溫速率為3?5°C/min ;在目標(biāo)處理溫度下保溫1?5h ;控制降溫速率為5?15°C /min直到溫度降至900°C以下；900°C以下自由降溫；所述目標(biāo)處理溫度為1800°C?2500°C。
[0016]上述高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料的制備方法中，步驟(六)中超高溫石墨化處理工藝曲線為:以1?15°C /min的速率升溫至2500°C以上并保溫1?10h，自由降溫。
[0017]優(yōu)選的，設(shè)定閾值為1.3g/cm3。
[0018]優(yōu)選的，高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料的熱導(dǎo)率大于300W/m.K。
[0019]優(yōu)選的，步驟(一)中以中間相瀝青為前驅(qū)體制備高導(dǎo)熱石墨泡沫作為增強(qiáng)基具體為:采用軟化點(diǎn)為220-300°C的中間相瀝青發(fā)泡成型，經(jīng)過碳化和石墨化處理制備高導(dǎo)熱石墨泡沫作為增強(qiáng)基。
[0020]優(yōu)選的，所述步驟(五)中復(fù)合材料密度沒有超過設(shè)定閾值則返回步驟(二)，增加中間相瀝青或煤瀝青浸漬時(shí)的浸漬壓力，并調(diào)高高溫爐中進(jìn)行高溫處理的溫度。
[0021]同時(shí)一種尚導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料，以尚導(dǎo)熱石墨泡沫為增強(qiáng)基，中間相浙青或煤瀝青為基體碳前驅(qū)體，通過15-70MPa浸漬、碳化、1800°C?2500°C高溫?zé)崽幚砑?500°C以上超高溫石墨化制備得到。
[0022]優(yōu)選的，采用所述的高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料的制備方法制備獲得。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果:
[0024](1)本發(fā)明采用中間相瀝青為前軀體，通過發(fā)泡成型-碳化-石墨化制備具有高熱導(dǎo)率的石墨泡沫作為增強(qiáng)基；然后以中間相瀝青或煤瀝青為基體碳前驅(qū)體，通過中高壓浸漬/碳化技術(shù)對(duì)石墨泡沫增強(qiáng)基進(jìn)行致密化；最后對(duì)獲得的材料進(jìn)行2500°C以上的高溫石墨化處理，制備得到密度在1.3g/cm3以上，熱導(dǎo)率大于300W/m.K，壓縮強(qiáng)度可達(dá)到9MPa以上的高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率和壓縮強(qiáng)度是石墨泡沫材料的2倍和3倍以上，相比高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料，制備成本和周期也大大壓縮，該工藝同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)大尺寸高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料的制備。
[0025](2)本發(fā)明采用密度為0.5?0.9g/cm3，熱導(dǎo)率大于100W/m.K，孔隙率在39?77%，開孔率大于85%的高導(dǎo)熱石墨泡沫作為增強(qiáng)基，這個(gè)密度范圍的石墨泡沫具有較好的力學(xué)性能，保證了增強(qiáng)基能夠在中高壓條件下與基體碳復(fù)合且不易開裂，增強(qiáng)基高的孔隙率和開孔率能夠提升浸漬效率，同時(shí)增強(qiáng)基具有高的熱導(dǎo)率有助于最終的復(fù)合材料熱導(dǎo)率的提升。
[0026](3)本發(fā)明采用中間相瀝青為高導(dǎo)熱前驅(qū)體，其優(yōu)異的取向性和易于石墨化的結(jié)構(gòu)能夠大幅提升最終復(fù)合材料的熱導(dǎo)率；采用煤瀝青為基體碳前驅(qū)體，在制備成本上要低于中間相瀝青前驅(qū)體，同時(shí)也能滿足部分實(shí)際需求；相對(duì)于樹脂類前驅(qū)體，采用中間相瀝青或煤瀝青為基體碳前驅(qū)體，更易于制備高熱導(dǎo)率的碳基復(fù)合材料。
[0027](4)本發(fā)明中采用了較慢的碳化升溫速率和特定的高溫開孔處理溫度，能夠避免材料碳化和高溫處理過程中部分輕組分釋放導(dǎo)致的開裂問題，同時(shí)釋放應(yīng)力；采用超高石墨化溫度和較慢的石墨化升溫速率，有助于石墨片層的取向有序化和石墨晶粒的長(zhǎng)大，提高了最終復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。
[0028](5)本發(fā)明可以依據(jù)不同的應(yīng)用需求，選擇不同密度、孔隙結(jié)構(gòu)和性能的石墨泡沫增強(qiáng)基材料，調(diào)整基體碳前驅(qū)體種類和浸漬/碳化工藝，可以實(shí)現(xiàn)不同密度、導(dǎo)熱性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料的制備。通過調(diào)整浸漬壓力、高溫處理溫度、重復(fù)次數(shù)能夠獲得不同的密度的復(fù)合材料，根據(jù)實(shí)際所需復(fù)合材料密度要求確定重復(fù)次數(shù)，該方法靈活有效，能夠應(yīng)用于不同環(huán)境需求的熱管理、熱疏導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)用性較強(qiáng)。
[0029](6)本發(fā)明可應(yīng)用于大尺寸高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料的制備，與傳統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)采用的金屬材料相比，具有質(zhì)輕、高熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)，可應(yīng)用于空天飛行器、深空探測(cè)、衛(wèi)星及高能激光武器等的熱管理、熱疏導(dǎo)系統(tǒng)，推動(dòng)更高能量密度電子器件的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)裝備的輕量化和長(zhǎng)時(shí)高效可靠運(yùn)行。
[0030](7)本發(fā)明所制備的高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料由于其密度較低，還可以作為增強(qiáng)基進(jìn)一步與其他材料復(fù)合，賦予其新的結(jié)構(gòu)和功能，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1為本發(fā)明高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料制備方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述:
[0033]本發(fā)明采用中間相瀝青為前軀體，通過發(fā)泡成型-碳化-石墨化制備具有高熱導(dǎo)率的石墨泡沫作為增強(qiáng)基；然后以中間相瀝青或煤瀝青為基體碳前驅(qū)體，通過中高壓浸漬/碳化技術(shù)對(duì)石墨泡沫增強(qiáng)基進(jìn)行致密化；最后對(duì)獲得的材料進(jìn)行2500°C以上的高溫石墨化處理，制備得到密度在1.3g/cm3以上，熱導(dǎo)率大于300W/m.K的高導(dǎo)熱石墨泡沫/碳復(fù)合材料。具體步驟如下:
[0034]步驟(一)、以中間相瀝青為前驅(qū)體，通過發(fā)泡成型-碳化-石墨化制備高導(dǎo)熱石墨泡沫作為增強(qiáng)基，其密度為0.5?0.9g/cm3，熱導(dǎo)率大于100W/m.Κ，孔隙率在39?77%，開孔率大于85%。
[0035]步驟(二)、將步驟(一)制備的石墨泡沫放入瀝青浸漬罐中進(jìn)行中間相瀝青或煤瀝青浸漬；其中中間相瀝青浸漬溫度為280-370°C，煤瀝青浸漬溫度為160-240°C，浸漬壓力為15-70MPa，保壓時(shí)間為l_5h。
[0036]步驟(三)、將步驟(二)浸漬中間相瀝青或煤瀝青后的石墨泡沫放入碳化爐中進(jìn)行碳化處理。
[0037]碳化處理的工藝曲線為:室溫?350°C，升溫速率為5?15°C /min ；350?500°C，升溫速率為1?5°C /min ;500°C，保溫1?10h ；500?650°C，升溫速率為1?5°C /min ；650°C，保溫1?10h ；650?900°C，升溫速率為3?5°C /min，900°C，保溫1?5h ;自由降溫。
[0038]步驟(四)、將步驟(三)碳化處理后得到的碳基復(fù)合材料放入高溫爐中進(jìn)