[发明专利]一种高导电、高透气率的梯度结构碳纤维纸及其制备方法

权利要求书

1.一种高导电、高透气率的梯度结构碳纤维纸，其特征在于，所述梯度结构碳纤维纸由多层不同体积密度的碳纤维纸层按照体积密度梯度叠合热压构成；所述梯度结构碳纤维纸的体积密度为0.32-0.42g cm^-3，石墨化度为74％-84％，表面电阻率为4.5-5.3mΩ·cm，平均体积电阻率为11-14mΩ·cm，透气率大于2000ml·mm/(cm²·hr·mmAq)。

2.根据权利要求1所述的梯度结构碳纤维纸，其特征在于，所述梯度结构碳纤维纸含有氮掺杂石墨碳；所述氮掺杂石墨碳中的氮元素存在形式包括吡啶氮、吡咯氮或石墨氮中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的梯度结构碳纤维纸，其特征在于，所述梯度结构碳纤维纸按照均匀性测试方法随机划分为网状等面积区域后，各区域的体积密度均在0.35-0.38g/cm³。

4.一种高导电、高透气率的梯度结构碳纤维纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)碳素表面改性：将碳素粉末分散于碱性液体中，而后加入多巴胺进行超声搅拌、洗涤、离心干燥后得到聚多巴胺包覆改性的碳素填料；

(2)浸渍液配制：将热固性树脂溶解至有机溶剂中，制得多份树脂溶液；而后向不同份的树脂溶液中分别加入不同质量的碳素填料，搅拌均匀后获得不同碳素填料浓度的浸渍液；

(3)浸渍：将多个相同的碳纤维毡片分别浸入到不同碳素填料浓度的浸渍液中，而后取出干燥，得到不同体积密度的毡片坯体；

(4)热压：将不同体积密度的毡片坯体按照体积密度梯度叠层铺放，然后进行热压得到碳纤维纸坯体；

(5)碳化和石墨化：将碳纤维纸坯体经碳化和石墨化处理得到梯度结构碳纤维纸。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述多巴胺与碳素粉末的质量比为(0.5-1)：1。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述不同份的树脂溶液中碳素填料的添加量为所述热固性树脂的0-5wt％，且不同份的树脂溶液中所加入的碳素填料的质量差值为所述热固性树脂的0.5-2wt％。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述树脂溶液中的热固性树脂质量浓度为6-15％；所述热固性树脂为酚醛树脂、呋喃树脂、糠醛树脂或其改性树脂中的一种或几种；所述有机溶剂为乙醇、DMF、乙二醇、异丙醇、正丁醇中的一种或多种。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述毡片坯体为2-4片。

9.根据权利要求4-8任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)的碳素表面改性之前，还包括预处理步骤，所述预处理步骤是在室温下将碳素粉末与强酸进行混合氧化30-120min，然后水洗至中性；所述强酸为浓硝酸、硫酸或二者的混合溶液。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述碳化处理是指对热压得到的碳纸坯体在900-1000℃进行30-90min的碳化处理；

所述石墨化处理是指在完成碳化处理后，再继续升温至1800-2500℃进行石墨化处理，保温1-2h后随炉冷却后取出，得到梯度孔隙率结构的碳纤维纸；

所述碳化处理和石墨化处理均是在高纯氮气或氩气氛围保护下进行；升温速率为5-10℃/min。