[发明专利]一种高导热炭纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高导热炭纤维的制备方法，属于炭纤维的制备技术领域。

背景技术

随着生活品质的提高，人们对便携式高端娱乐电子设备的轻量化、小型化（薄）的要求越来越高；同时，还要求这些电子设备的性能越来越高、功能越来越多。这两方面的要求促使这些电子设备的主要部件（如CPU等）集成化程度越来越高、速度越来越快而体积越来越小，从而在运行过程中产生了更多的热量，造成机器过热，使这些设备的用户体验不佳，频繁死机甚至损坏。为使这些设备的每个部件运行正常、高效，这些热量必须及时的定向导出。

新型高超音速飞行器在服役过程中需要经受长时间(1000S以上)中低密度热流(1MW/m²量级)的持续加热，总加热量很高。同时，该飞行器复杂的外形还导致许多特殊部位经受相对较强的加热，使其大面积热防护系统在飞行过程中不同部位的温度极其不均匀。这对传统的烧蚀型和非烧蚀隔热型热防护系统提出了严峻挑战，为此美国空军推进实验室提出了热管理的概念，用以综合控制不同部位的热流，使高温区热流向低温区传递，从而降低高温区热防护的难度。目前所用的导热材料如Ni基高温合金、陶瓷基复合材料等在比重、耐高温、定向热导率、热膨胀系数及抗热震性等方面难以同时达到使用要求，应用受到一定限制。因此迫切需要研制一种新型定向高导热材料以满足宇航科技蓬勃发展的要求。

石墨材料不仅具有较低的密度（2.26g/cm³左右）和优异的高温力学性能，还具有优异的抗热震性和高导热特性，是能够满足上述领域要求的一种高导热管理材料。石墨材料的高导热特性源于沿碳六角网状结构组成的石墨片层方向具有的高导热系数(理论上可达2500W·m^-1·K^-1)，而垂直于石墨片层方向的热导率仅6W·m^-1·K^-1。因此在高导热石墨材料的制备过程中，应尽量使石墨片层沿同一方向排列，并在使用过程中扬长避短，通过适当的设计使热量沿该方向传递。绝大多数石墨片层沿纤维轴向择优排列的高性能连续石墨纤维(GF)，在纤维轴向具有较高的热导率。经过适当设计可以排列（或编织）并复合成所需要的定向高导热炭基复合材料。

目前使用的高导热炭纤维前驱体主要是中间相沥青纤维，但该种纤维的强度极低（仅几MPa），非常脆，造成其连续化生产过程极为繁琐，成本非常高，至今国内仍无一家单位可以生产。因此寻找一条异于以前的研发路线制备高导热GF具有非常重要的意义。

研究人员在制备高定向石墨的过程中发现，具有高取向度的聚酰亚胺（PI）高分子膜，在惰性气氛中经加压炭化、石墨化可制得高结晶性和高取向度的石墨膜。日本科学家Murakami等采用高度取向的PI薄膜为原料，经过裁切、层叠、压制、炭化、石墨化制得了热导率高达1800W·m^-1·K^-1的块体材料。在这些研究中，为抑制PI分子链在热处理时断裂而导致的大量含碳小分子物质的逸出，减少薄膜中的缺陷，需要施加极高的压力和非常缓慢的升温速率，制备条件苛刻。该方法难以制备大块样品并批量化生产，其应用受到了较大限制。如果将聚酰亚胺纺成纤维，再对纤维热处理制成高导热GF，将极大的扩展它的应用范围，将具有广阔的应用前景。而PI纤维作为高聚物纤维，其断裂伸长通常高于10%，强度大于100MPa，极易实现高导热炭纤维的连续化生产。

PI纤维在制备过程中由于纺丝成型过程中受到较大牵伸，其高分子链大多沿纤维轴择优取向。因此，PI分子链在纤维中的取向与薄膜中相比，沿纤维轴向取向度更高，排列更规整；同时由于主链上含有较多的芳香环，PI高分子链类似于一根刚性的长带，芳香环大多分布在长带的宽面上。这种芳香环的排列方式非常类似于中间相沥青纤维。而PI的分子量远较中间相沥青高，其沿纤维轴向高度择优取向的分子链也远长于中间相沥青。这种分子结构将可能生成尺寸更大、缺陷更少的石墨晶格。

发明内容

本发明的目的就是提供一种新型即聚酰亚胺基高导热炭纤维的制备方法，相关研究目前还未见于任何的公开报道。

本发明将参考高性能PAN基炭纤维和高导热MP基GF的制备方法，通过对PI纤维进行稳定化、炭化、石墨化处理，并在热处理过程中施加牵伸（张力）代替高取向PI薄膜炭化过程中的压力，获得具有高结晶度、高取向度的高导热GF。