[发明专利]一种高导热/负介电碳纤维聚合物基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高导热/负介电碳纤维聚合物基复合材料及其制备方法，所述复合材料通过以下方法制备得到：首先，预氧纤维丝通过气流梳理和针刺成毡相结合的工艺制备得到预氧纤维毡，再通过第一次碳化‑石墨化处理，得到碳纤维软毡；进一步通过真空浸渍的方式浸渍酚醛树脂并进行热压固化，再经过第二次碳化‑石墨化‑纯化处理制备得到碳纤维/碳复合材料，最后，通过真空辅助方式将碳纤维/碳复合材料复合至聚合物基体中，最终制备得到高导热/负介电聚合物基复合材料。测试结果表明，所制备的复合材料在垂直方向和平行方向的热导率分别可达2.829W/mK和0.573W/mK，与纯环氧树脂相比，热导率分提高了1315％和187％。复合材料垂直和平行交流电导率可达0.17S/cm和0.04S/cm，当频率达到400KHz后，垂直方向上的碳纤维复合材料表现出负介电特性。

技术领域

本发明属于导热复合材料技术领域，涉及一种高导热/负介电碳纤维聚合物基复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维具有低膨胀系数、高强度质量比、耐高温、耐磨擦,耐腐蚀，导电,导热等优良性质。碳纤维的导热导电性能主要取决于碳纤维本身的石墨化程度，石墨化程度越高导热导电性能也就越强。以碳纤维为基材制备的复合材料可以广泛运用在航空、汽车、风力发电、医疗等领域。将碳纤维丝直接与树脂复合成型，其面内和面外导热系数均较低。这是因为树脂填充至碳纤维之间的孔隙中，增加了界面热阻和接触热阻使得声子散射能力下降。因此，现有的复合材料无法实现电感器设计、隐身材料、新型电容、滤波器、微波衰减、电磁屏蔽等领域的高需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高导热/负介电碳纤维聚合物基复合材料及其制备方法，本发明通过构建碳纤维/碳三维骨架结构与真空辅助方式相协同的方式提高碳纤维复合材料的导热系数以及调控负介电性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高导热/负介电碳纤维聚合物基复合材料，所述复合材料通过以下方法制备得到：首先，预氧纤维丝通过气流梳理和针刺成毡相结合的工艺制备得到预氧纤维毡，再通过第一次碳化-石墨化处理，得到碳纤维软毡；进一步通过真空浸渍的方式浸渍酚醛树脂并进行热压固化，再经过第二次碳化-石墨化-纯化处理制备得到碳纤维/碳复合材料，最后，通过真空辅助方式将碳纤维/碳复合材料复合至聚合物基体中，最终制备得到高导热/负介电聚合物基复合材料。

所述复合材料在垂直方向和平行方向的热导率为2-3W/mK及0.4-0.6W/mK，复合材料的垂直和平行交流电导率为0.1-0.2S/cm及0.01-0.05S/cm，当频率达到400KHz以上后，垂直方向上的复合材料表现出负介电特性。

所述预氧纤维丝为聚丙烯腈纤维经过预氧化处理后得到，预氧化处理过程中，预氧化的温度为250-500℃，升温速度为20-50℃/min，保温时间为1-2h，气压为10-5000Pa。

所述预氧纤维毡的厚度为3-15mm，密度为0.12-0.18g/cm³。

在预氧纤维丝中添加不同直径的高分子纤维，调节其密度和质量。

通过添加不同直径的高分子纤维来增加其蓬松结构，调节其密度和质量，从而可以调节后续石墨化的致密程度。

所述高分子纤维为PAN原丝或纤维素纤维。

上述高导热/负介电碳纤维聚合物基复合材料的制备方法，所述复合材料通过以下方法制备得到：首先，预氧纤维丝通过气流梳理和针刺成毡相结合的工艺制备得到预氧纤维毡，再通过第一次碳化-石墨化处理，得到碳纤维软毡；进一步通过真空浸渍的方式浸渍酚醛树脂并进行热压固化，再经过第二次碳化-石墨化-纯化处理制备得到碳纤维/碳复合材料，最后，通过真空辅助方式将碳纤维/碳复合材料复合至聚合物基体中，最终制备得到高导热/负介电聚合物基复合材料。