[发明专利]一种三维中间相沥青基高热导率碳/碳复合材料及其制备工艺

说明书

技术领域

本专利涉及一种三维中间相沥青基高热导率碳/碳复合材料及其制备工艺，属于碳/碳复合材料制造技术领域。

背景技术

高导热碳/碳复合材料以其优异的低密度、高导热性、低膨胀系数和独有的高温高强度（可应用于高达3000℃无氧或低氧环境中，材料强度从室温到2000℃随温度升高而升高）等性能成为目前最佳的高导热候选材料,有望代替传统材料，在新型热管理和热疏导材料研发中占据主导地位，广泛用于国防和电子等领域。

碳/碳复合材料最终性能很大程度上取决于原材料的性能、制备工艺和条件等。因此制备高导热碳/碳复合材料必须从原材料的性能、先驱体结构、制备工艺、条件等方面综合考虑。高导热碳/碳复合材料的制备主要有化学气相渗透、沥青或树脂浸渍/碳化、压制等方法，其中压制法采用的较多。英国Dunlop公司采用PAN基碳纤维CVI工艺制成了最高室温导热系数达250W/m·K的碳/碳复合材料；Leeds大学采用高模量PAN基碳纤维—Grafil HM2370，石油沥青作基体先驱体，并添加石油焦粉，经压制＋沥青浸渍/碳化工艺，制成了室温导热系数为150W/m·K的碳/碳材料。法国学者J.P.Bonal和德国学者C.H.Wu在欧州爆破R&D项目中，分别用了7种碳/碳复合材料作为国际热核实验反应器的第一壁材料进行了实验研究，这几种复合材料的制备原料及制作工艺分别如下。

A05是2D带状碳纤维复合材料，首先是把Le Carbone Lorraine的PAN基碳纤维随意放在一个平面上，然后再用少量碳纤维对原来放好的碳纤维进行穿刺。在对碳纤维预成型体进行CVI处理和沥青浸渍，最后经2500℃的高温石墨化处理。CX2002U是Toyo Tanso公司提供的2D带状复合材料，此复合材料主要是对随意摆放的ex-PAN基碳纤维进行CVI，最后经高温石墨化处理。DMS678是由DUNLOP提供的2D编织碳/碳复合材料，碳纤维预成型体是ex-PAN基碳纤维面状编织体，将它进行CVI所得。

N112是由Société Européenne de Propulsion提供的3D碳/碳复合材料，其中所用ex-PAN基碳纤维是由NOVOLTEX提供。面内是2D编织体，然后在与平面垂直的方向上进行穿刺而成。对其预成型体进行CVI，高温热处理，108Pa/1000℃条件下沥青浸渍，2200℃的高温热处理而成。N11与N112基本一样，所不同的是未进行沥青浸渍。FMI A27-130是3D碳/碳复合材料，主要是由P130碳纤维组成。MKC是由Mitsubishi Kagaku公司提供的1D碳/碳复合材料。

在高导热碳/碳复合材料的应用研究方面，美国加利福尼亚州最近报道了一种导热性能几乎和铝一样好，质量仅有铝的2/3的低模量C/C复合材料板材被研制成功，其3D C/C的均质导热系数为180～200W/m·K。环火星宇宙飞船的电子系统箱、蓄电池及其它许多部件都被安装在这种C/C复合材料板上，电子器件产生的热量被其及时导出，以保持环境温度在正常范围内。此外，美国国家航空航天局(NASA)通过Hyper-X计划开发出的X-43超声速飞行器，其机翼前缘采用了带高导热碳/碳复合材料，并成功通过了飞行验证。

我国高导热碳/碳复合材料的研究由于受到原材料限制、需求不明确等，长期处于低谷。国内山西煤化所、北京化工大学、中南大学、航天材料及工艺研究所等开展了一些相关的基础研究工作，制备的小尺度高导热碳/碳复合材料在热导率方面接近国外材料水平，但由于受到原材料、资金等的限制，研究仅限于实验室级，尚无相关应用。

综上所述，国外在高导热碳/碳复合材料制备及应用方面均已开展了大量工作，但在高导热碳/碳复合材料具体制备工艺方面报道较少，通常采用中间相沥青作为基体碳前驱体的高导热碳/碳复合材料大都限于单向或两维材料，制备工艺通常采用热压成型，材料及制备工艺均相对简单，工艺放大难度较大，且制备得到的复合材料热导率、模量和尺寸稳定性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种三维中间相沥青基高热导率碳/碳复合材料及其制备工艺，该制备工艺可大大提高碳/碳复合材料热导率、模量和尺寸稳定性，并可实现大尺寸高导热碳/碳块体材料的制备，进一步拓展碳/碳复合材料应用领域。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种三维中间相沥青基高热导率碳/碳复合材料的制备工艺，包括如下步骤: