[发明专利]一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备方法，属于导热复合材料技术领域。本发明解决了高导热沥青基碳纤维易产生毛刺、撕裂和分层等现象导致复合材料性能降低的问题。本发明采用原子层沉积技术在高导热沥青基碳纤维表面均匀沉积纳米ZnO薄膜，与氰酸酯树脂固化得到复合材料。本发明具有沉积温度低，厚度均匀可控的优点，能够有效改善高导热沥青基碳纤维易产生毛刺、撕裂和分层等多形态、多尺度损伤的问题，利用ZnO表面丰富的含氧极性基团能够有效改善高导热沥青基碳纤维与氰酸酯树脂基体间的界面结合强度，显著提高复合材料的力学性能和导热性能。

技术领域

本发明属于导热复合材料技术领域；具体涉及一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备方法。

背景技术

随着航天器功能性不断提高，载荷重量与体积越来越大，并且大量使用高功率密度器件和部组件，散热问题突出。这些对航天器平台结构复合材料力学性能和导热性能提出了更高的需求。高导热中间相沥青基碳纤维具有很高的热导率、拉伸模量和近零的热膨胀系数，其增强的复合材料在高导热结构面板、高刚度结构件、温度交变环境零膨胀系数部件、高导热防热结构件等方面具有不可替代的作用，是卫星主体结构、功能结构、防护结构和辅助结构上不可替代的关键核心材料。

然而，限制沥青基碳纤维复合材料快速发展和应用的主要问题是其较差的层间性能，在材料加工、运输、装配等过程极易产生无法修复的毛刺、撕裂和分层等多形态、多尺度损伤，可显著降低构件的抗压强度和疲劳寿命等使用性能，给航天器结构的高可靠长寿命在轨服役带来极大的安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备方法，采用原子层沉积技术在高导热沥青基碳纤维表面均匀沉积纳米ZnO薄膜，不仅解决了高导热沥青基碳纤维易产生毛刺、撕裂和分层等现象导致复合材料性能降低的问题，还能增加高导热沥青基碳纤维与氰酸酯树脂基体的间界面结合强度，有效提高了复合材料力学性能和导热性，促进其在航天器领域的广泛应用。

为实现上述目的，本发明中一种高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料是按下述步骤进行的：

步骤一、ZnO改性高导热沥青基碳纤维的制备：

将高导热沥青基碳纤维放置于反应腔体内，抽真空至0.15Torr；

然后设置反应腔体和管道预热温度分别为150℃和120℃，锌源的载气量和脉冲时间分别设定13.8sccm和30ms，氧源的载气量和脉冲时间分别设定为13sccm和20ms，氮气清扫时间设定40s，设定反应时间和循环周期次数；

启动反应，通过原子层沉积技术在高导热沥青基碳纤维表面沉积纳米ZnO薄膜，反应完毕后获得ZnO改性高导热沥青基碳纤维；

步骤二、高导热沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料的制备：

将权利要求上述方法制备的ZnO改性高导热沥青基碳纤维放入模具中；

取氰酸酯树脂在100℃下恒温搅拌2h后，加入乙酰丙酮铝催化剂，搅拌均匀后在100℃下真空除气泡30min后得到树脂混合物A，先用部分树脂混合物A浸润ZnO改性高导热沥青基碳纤维，再将剩余的树脂混合物A倒入模具中，分段固化，得到高导热ZnO改性沥青基碳纤维/氰酸酯复合材料。

进一步地限定，步骤一中所述锌源为氯化锌，所述氧源为臭氧。

进一步地限定，步骤一中所述反应时间为6～10s，循环周期次数为5～50次。

进一步地限定，步骤二中ZnO改性高导热沥青基碳纤维放入模具后，两段固定让其自然绷直。

进一步地限定，步骤二中ZnO改性高导热沥青基碳纤维的质量分数为50％～70％，氰酸酯树脂的质量分数为30％～50％。