[发明专利]新型高导热石墨烯或石墨膜/碳纤维复合材料制备方法

说明书

本发明属于导热材料领域，具体涉及一种新型高导热石墨烯膜/碳纤维散热板的制备方法。该石墨烯‑碳纤维树脂基复合材料包括石墨烯层、碳纤维编织网层和垂直取向的碳纤维加固层。石墨烯膜预先通过冲压技术进行打孔，得到网状的石墨烯膜，然后浸润环氧制成预浸料。将石墨烯膜与碳纤维布预浸料依次叠层铺设，然后使用超声波冲击枪将碳纤维针刺预制体打入复合板中，或者使用针刺的方法，将部分碳纤维垂直取向，增强其剪切性能。本发明将纯石墨烯粉体与碳纤维布复合使其既具备优良的导热性能又具有很好的可加工性。该复合材料板可用于大型构件的散热，散热性能可以媲美纯金属与其他散热材料，并且具有可裁切性能与很好的柔韧性。该材料的生产工艺简单、节能环保、应用性强、可大规模生产。

技术领域

本发明属于导热材料领域，具体涉及一种新型高导热石墨烯或石墨膜/碳纤维树脂基复合材料层合板的制备方法。

背景技术

随着航天器的快速发展，航天电子元器件越来越朝向高密度集成化方向发展，这使得结构散热问题变得尤为突出。航天器热载荷的增加，有时甚至达到 10000kW，使其对材料的导热性能提出了更高的设计要求。由于散热问题如此重要，甚至像金刚石、金属基复合材料和碳基复合材料等昂贵的高导热材料也被应用于高端微电子系统中。另外，在卫星天线和电子系统中，非均匀的温度分布会造成大的热变形，大的温度变化也会导致相同的结果，进而导致信号失真；此外，常常一个大的温度变化会造成大的热应力，从而容易引发结构性破坏。因此，散热材料不仅需要高的导热系数，还需要低的热膨胀系数。例如，航天领域常用材料铝的导热系数很好（120~160W/mK），但其热膨胀系数却较高（23.410^-6K^-1），为了降低热膨胀系数，人们甚至使用高模量低膨胀的碳纤维基复合材料来代替金属材料。

在航空航天电子设备等轻质电子设备方面，散热材料还要求轻质和具有良好的承载能力。树脂基复合材料因其具有轻质、高比强度和高比刚度等优异性能，已广泛应用于在航空航天飞行器、运动装备、压力容器等领域。连续碳纤维增强树脂基复合材料更是具有高比刚度、高比强度和低热膨胀的特性，使其在航天飞行器和高端电子设备中拥有更为广阔的应用前景。然而，由于碳纤维树脂基复合材料的面内导热性能主要依赖于高导热碳纤维的填充，而高导热碳纤维的成本要远高于普通纤维，难以工程化应用，所以工程上缺少更好的方法来提高其面内导热性能；此外，树脂基体决定着复合材料面外导热性能，由于树脂基体的导热系数很低（只有 0.2~0.4W/(mK)），所以复合材料面外导热性能往往较差，只有0.6~1.2W/(mK)；这些因素限制了其在航天器和高端电子设备等领域的应用。

石墨具有高导电、高导热、耐高温、抗腐蚀、低热膨胀系数等一系列特点，故在储能材料、传热散热材料、高温发热材料等方面有着广泛的应用。石墨具有非常高的本征热导率，其理论热导率可达2000 W/(mK)，使用氧化石墨烯、可膨胀石墨等，可以很容易在抽滤、热压等过程中得到取向程度高的膜材料，其面内热导率可达到1800 W/(mK)。使用高导热石墨烯膜可以大大提高板材的导热性能。

发明内容

为了得到轻质高导热碳纤维增强复合材料，本发明提供一种高导热石墨烯或石墨膜/碳纤维复合材料板的制备方法，该复合材料板具有优良的导热散热性能以及力学强度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

高导热石墨烯或石墨膜/碳纤维树脂基复合材料层合板，由以下原料制备而成：网状的石墨烯或石墨膜，碳纤维粉，碳纤维预浸料，热固性高分子树脂和固化剂，表面处理剂，树脂稀释剂等。

作为优选的，石墨烯或石墨膜可以使用氧化石墨烯经高温热处理得到，也可以通过高温烧结聚酰亚胺得到，还可以通过热压可膨胀石墨得到，网状的石墨烯或石墨膜是由高导热石墨烯或石墨膜经过冲压形成，网状结构有利于增加层间强度。

作为优选的，碳纤维可以使用单向碳纤维预浸料，也可以使用平纹或斜纹碳纤维编织布。