[发明专利]一种碳纤维毡@碳纳米管/环氧树脂复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维毡@碳纳米管/环氧树脂复合材料及其制备方法，该复合材料是以碳纤维毡为模板，经浓硝酸改性并原位生长ZIF‑67晶体后，通过高温催化热解和酸刻蚀工艺得到表面生长有碳纳米管的碳纤维毡，最后采用真空渗透环氧树脂工艺制备得到碳纤维毡@碳纳米管/环氧树脂复合材料。本发明采用预构模板法，以碳纤维毡骨架为模板，依靠碳纤维表面原位生长的碳纳米管将相邻碳纤维桥接，拓展热传导路径，有效降低碳纤维间接触热阻，同时构建了高度互连的三维网络结构，有效提高了环氧树脂的导热性能。

技术领域

本发明涉及环氧树脂复合材料技术领域，具体而言，涉及一种碳纤维毡@碳纳米管/环氧树脂复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

电子设备和电气设备的小型化和集成化发展不可避免地会产生过多的热量和积存，影响设备的正常运行并损坏。因此，寻找高效的热管理材料来消散所产生的热量对这些设备的性能、寿命和可靠性至关重要。通常，高分子材料以其重量轻、成本低、耐腐蚀、易加工等优点被广泛应用于制备导热复合材料。不幸的是，普通聚合物的热导率约为0.2Wm^-1 K^-1，这是由于大量结构缺陷(如聚合物内部无序结构和各种纠缠)产生的声子散射造成的。随着研究的深入，发现在聚合物基体中形成三维导热网络是实现高导热的最有效和最有前途的方法之一。在这种情况下，大部分热量可以沿着三维热传导通道传递。碳纤维毡(CFelt)是一种由碳纤维纺织而成的具有良好三维交联网络结构的毡，具有机械强度高、导电性好、重量轻、孔隙率高、成本低等优点，具有广阔的应用前景。而CFelt具有较低的热导率，这主要是由于其纤维状的多孔结构和相邻纤维之间明显的空隙在纤维与纤维界面处产生的较高的热阻。

发明内容

本发明了提供一种碳纤维毡@碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备方法，旨在获得具有优异导热性能的复合材料。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明首先公开了一种碳纤维毡@碳纳米管/环氧树脂的制备方法，其特点是：以具备三维网络结构的碳纤维毡(CFelt)为模板，经浓硝酸改性CFelt并原位生长ZIF-67晶体后，通过高温催化热解和酸刻蚀工艺得到表面生长有碳纳米管的碳纤维毡(CFelt@CNTs)，最后采用真空渗透环氧树脂工艺制备得到碳纤维毡@碳纳米管/环氧树脂复合材料(CFelt@CNTs/EP)。具体包括如下步骤：

步骤1、fCFelt的制备

取60mL浓硝酸于聚四氟乙烯内衬反应釜中，将碳纤维毡CFelt放入其中后在100～110℃烘箱中反应5～8h，得到改性后的碳纤维毡，记为fCFelt；

步骤2、CFelt@ZIF-67的制备

取1.15～1.17g六水合硝酸钴溶解于120mL甲醇中，将步骤1所得fCFelt放入其中，搅拌1h后，滴加80mL含2.25～2.28g的2-甲基咪唑和30～45μL三乙胺的甲醇溶液，搅拌3h，取出样品，用甲醇清洗后烘干，得到CFelt@ZIF-67；

步骤3、CFelt@CNTs的制备

将步骤2所得CFelt@ZIF-67置于管式炉中，并在其上游加入3倍质量的双氰胺，在氩气气氛下以5℃/min的升温速度开始升温，先升温至400℃并保温煅烧2h，然后升温至900℃并保温煅烧2h，使ZIF-67晶体原位转化为碳纳米管，所得样品放入0.5mol/LH₂SO₄溶液中刻蚀12～24h，得到CFelt@CNTs；

步骤4、CFelt@CNTs/EP复合材料的制备

将环氧树脂混合液滴加在步骤3所得CFelt@CNTs上，在40～50℃下真空辅助渗透0.5～1h，再80℃预固化1～1.5h、110℃固化1h，即获得目标产物碳纤维毡@碳纳米管/环氧树脂复合材料，记为CFelt@CNTs/EP复合材料。