专利名称：一种高导热炭/炭复合材料的制备方法
技术领域：
本发明属于一种短纤维增强的高导热炭/炭复合材料的制备方法。
背景技术：
在通讯卫星的高功率密度器件、航天高功率电子仪表的散热装置、核聚变堆用面对等离子体材料等对热控制要求严格的领域，运行过程中会产生和积累大量的热量，为保证设备稳态运行，需将产生的热量及时导出，因而也就对材料的导热性能提出很高要求。在大型计算机CPU及许多民用装置采用高导热材料散热板，将有利于提高效率。
炭/炭复合材料因其具有优异的低密度、高导热性、低膨胀系数、高温高强等性能成为二十世纪九十年代中期以来研制高热导材料的热点之一。邱海鹏，宋永忠，郭全贵等总结了国内外“高导热炭纤维及其炭基复合材料”<功能材料，2002，(5)473>的发展，高导热纤维主要为中间相沥青基炭纤维，其沿纤维轴向的热导率非常高，已超过1000W/MK，将其应用于高导热炭/炭复合材料中已取得了良好的效果。但该类纤维是连续长纤维，价格昂贵、纤维编制成型费用也较高。从而使得所制高导热炭/炭复合材料成本昂贵，应用领域受到极大限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种用短切炭纤维增强的具有高导热率、成本低的炭/炭复合材料的制备方法。
本发明选用中间相沥青基短切炭纤维、中间相沥青和煤焦油沥青为原料，采用热模压成型、炭化、致密化、高温处理等一系列的常规工艺，制备出高导热率的短切炭纤维/炭复合材料。
本发明的炭/炭复合材料制备方法如下(1)长度为1～10mm的短切中间相沥青基炭纤维和中间相沥青粘结剂按1∶0.5～2的质量配比混合均匀后，在高于中间相沥青软化点20～50℃的温度下采用20～50MPa压力模压成型，制得生制品；(2)在炭化温度600～900℃，炭化升温速率为0.5～2℃/分条件下，对生制品进行炭化，制得低密炭/炭材料；(3)用软化点80～110℃的中温煤焦油沥青浸渍剂对制得的低密炭/炭材料进行浸渍处理，工艺参数为浸渍温度在200～240℃，压力1.5～2.5MPa，浸渍时间2～3小时；浸渍后进行炭化，炭化升温速率为1～2℃/分，炭化终温为900℃～1200℃，在室温～600℃炭化压力为1.5～2.5Mpa，在600～最终炭化温度采用常压，且在最终炭化温度处保温20～60分钟；浸渍-炭化循环5～7次，制得致密化炭/炭材料；(4)对制得的致密化炭/炭材料进行高温石墨化处理，石墨化温度为2600～3000℃，达到石墨化温度时保持10～30分钟。
如上所述的中间相沥青基炭纤维最好选择自身导热性、模量、强度较高的短切炭纤维。
如上所述的中间相沥青粘结剂软化点为230～280℃，中间相含量为70～100％。
本发明的高导热炭/炭复合材料的导热率可以通过改变第(1)步骤中的质量配比、不同软化点中间相沥青、纤维种类、长度以及工艺参数来控制。
本发明具有如下优点1、原料易得，工艺简单，价格便宜，成本低。
2、该方法生产的炭/炭复合材料导热率远远高于传统导热材料铝的导热率。
3、该方法生产的炭/炭复合材料具有优良力学性能。
具体实施例方式
实施例1将长度为4～6mm中间相沥青基短切炭纤维和软化点280℃的中间相沥青粘结剂按1∶2的质量配比混合均匀后，在300℃，20MPa下热模压10分钟制得炭/炭生制品，然后将生制品以0.5℃/分升温速率炭化至900℃制得密度1.10g/cm3的炭/炭制品；用软化点为80℃的中温煤焦油沥青对低密炭/炭在200℃，1.7MPa进行2小时浸渍后以1℃/分升温速率，2.0MPa下炭化至600℃，然后在常压下以2℃/分升温速率升至1200℃且保温20分钟，这一浸渍-炭化循环5个周期；对致密化样品进行2600℃，保温10分钟处理可制得密度为1.79g/cm3的高导热炭/炭复合材料。将制备的样品切成10mm×10mm×20mm规格尺寸的样品，经抛光、超声波清洗并烘干，根据GB-3399-82(88)相对比较法测试其导热系数，测得垂直成型压制方向的室温热导率为280w/mk。
实施例2将长度为4～6mm中间相沥青基短切炭纤维和软化点250℃的中间相沥青粘结剂按1∶2的质量配比混合均匀后，在270℃，2.0MPa下热模压10分钟制得炭/炭生制品，其后制备工艺及测试同实施例1，制得垂直成型压制方向的室温热导率为256w/mk，密度为1.77g/cm3的高导热炭/炭复合材料。
实施例3将长度为4～6mm中间相沥青基短切炭纤维和中间相沥青粘结剂(软化点232℃)按1∶2的质量配比混合均匀后，在260℃，20MPa下热模压10分钟制得炭/炭生制品，其后制备工艺及测试同实施例1，制得垂直成型压制方向的室温热导率为242w/mk，密度为1.74g/cm3的高导热炭/炭复合材料。
实施例4将长度为4～6mm中间相沥青基短切炭纤维和中间相沥青粘结剂(软化点280℃)按1∶1.6的质量配比混合均匀后，在310℃，30MPa下热模压10分钟制得炭/炭生制品，然后将生制品以0.8℃/分升温速率炭化至900℃制得密度1.12g/cm3的炭/炭制品；用软化点为95℃的中温煤焦油沥青对低密炭/炭在210℃，2.2MPa进行2小时浸渍后以1.2℃/分升温速率，2.5MPa下炭化至600℃，然后在常压下以1.5℃/分升温速率升至1100℃且保温30分钟，这一浸渍-炭化循环5个周期；对致密化样品进行2600℃，保温10分钟处理可制得密度为1.80g/cm3的炭/炭复合材料。样品测试同实施例1，测得垂直成型压制方向的室温热导率为340w/mk。
实施例5将长度为4～6mm中间相沥青基短切炭纤维和中间相沥青粘结剂(软化点280℃)按1∶1.4的质量配比混合均匀后，在320℃，30MPa下热模压10分钟制得炭/炭生制品，然后将生制品以1℃/分升温速率炭化至900℃制得密度1.15g/cm3的炭/炭制品；用软化点为100℃的中温煤焦油沥青对低密炭/炭在220℃，2.2MPa进行2小时浸渍后以1.2℃/分升温速率，2.5MPa下炭化至600℃，然后在常压下以1.2℃/分升温速率升至1000℃且保温40分钟，这一浸渍-炭化循环5周期；对致密化样品进行2600℃，保温15分钟处理可制得密度为1.78g/cm3的炭/炭复合材料，样品测试同实施例1，测得垂直成型压制方向的室温热导率为365w/mk。
实施例6将长度为4～6mm中间相沥青基短切炭纤维和中间相沥青粘结剂(软化点280℃)按1∶1.2的质量配比混合均匀后，在320℃，50MPa下热模压10分钟制得炭/炭生制品，然后将生制品以2℃/分升温速率炭化至800℃制得密度1.19g/cm3的炭/炭制品；用软化点为110℃的中温煤焦油沥青对低密度炭/炭在220℃，2.5MPa进行3小时浸渍后以2℃/分升温速率，2.5MPa下炭化至600℃，然后在常压下以1.2℃/分升温速率升至900℃且保温50分钟，这一浸渍-炭化循环6周期，对致密化样品进行2600℃，保温30分钟处理可制得密度为1.83g/cm3的炭/炭复合材料。样品测试同实施例1，测得其垂直成型压制方向的室温热导率为396w/mk。
实施例7将长度为4～6mm中间相沥青基短切炭纤维和中间相沥青粘结剂(软化点280℃)按1∶1的质量配比混合均匀后，在320℃，50MPa下热模压12分钟制得炭/炭生制品，然后将生制品以2℃/分升温速率炭化至800℃制得密度1.20g/cm3的炭/炭制品；用软化点为110℃的中温煤焦油沥青对低密度炭/炭在240℃，2.5MPa进行3小时浸渍后以2℃/分升温速率，2.5MPa下炭化至600℃，然后在常压下以1.2℃/分升温速率升至900℃且保温60分钟，这一浸渍-炭化循环6周期，对致密化样品进行2600℃，保温30分钟处理可制得密度为1.85g/cm3的炭/炭复合材料。样品测试同实施例1，测得其垂直成型压制方向的室温热导率为379w/mk。
实施例8
将长度为4～6mm中间相沥青基短切炭纤维和中间相沥青粘结剂(软化点280℃)按1∶0.8的质量配比混合均匀后，在320℃，50MPa下热模压15分钟制得炭/炭生制品，其后制备工艺及测试同实施例7，制得垂直成型压制方向的室温热导率为365w/mk，密度为1.83g/cm3的高导热炭/炭复合材料。
实施例9将长度为4～6mm中间相沥青基短切炭纤维和中间相沥青粘结剂(软化点280℃)按1∶0.7的质量配比混合均匀后，在330℃，50MPa下热模压15分钟制得炭/炭生制品，然后将生制品以2℃/分升温速率炭化至600℃制得密度1.19g/cm3的炭/炭制品；用软化点为110℃的中温煤焦油沥青对低密度炭/炭在240℃，2.5MPa进行3小时浸渍后以2℃/分升温速率，2.5MPa下炭化至600℃，然后在常压下以1℃/分升温速率升至900℃且保温60分钟，这一浸渍-炭化循环7周期，对致密化样品进行2600℃，保温30分钟处理可制得密度为1.82g/cm3，样品测试同实施例1，测得其垂直成型压制方向的室温热导率为350w/mk的高导热炭/炭复合材料。
实施例10将长度为6～10mm中间相沥青基短切炭纤维和中间相沥青粘结剂(软化点280℃)按1∶0.7的质量配比混合均匀后，其后制备工艺及测试同实施例9，最终制得垂直成型压制方向的室温热导率为374w/mk，密度为1.81g/cm3高导热炭/炭复合材料。
实施例11将长度为1～3mm中间相沥青基短切炭纤维和中间相沥青粘结剂(软化点280℃)按1∶0.7的质量配比混合均匀后，其后制备工艺及测试同实施例9，最终制得垂直成型压制方向的室温热导率为266w/mk，密度为1.76g/cm3的高导热炭/炭复合材料。
实施例12将长度为4～6mm中间相沥青基短切炭纤维和中间相沥青粘结剂(软化点280℃)按1∶0.5的质量配比混合均匀后，其后制备工艺及测试同实施例9，最终制得垂直成型压制方向的室温热导率为250w/mk，密度为1.83g/cm3的高导热炭/炭复合材料。
实施例13将长度为4～6mm中间相沥青基短切炭纤维和中间相沥青粘结剂(软化点280℃)按1∶0.5的质量配比混合均匀后，生制品炭化及浸渍-炭化循环工艺同实施例9，对致密化样品进行3000℃，保温15分钟处理可制得密度为1.83g/cm3，垂直成型压制方向的室温热导率为334w/mk的高导热炭/炭复合材料。
权利要求
1.一种高导热炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤(1)长度为1～10mm的短切中间相沥青基炭纤维和中间相沥青粘结剂按1∶0.5～2的质量配比混合均匀后，在高于中间相沥青软化点20～50℃的温度下采用20～50MPa压力模压成型，制得生制品；(2)在炭化温度600～900℃，炭化升温速率为0.5～2℃/分条件下，对生制品进行炭化，制得低密炭/炭材料；(3)用软化点80～110℃的中温煤焦油沥青浸渍剂对制得的低密炭/炭材料进行浸渍处理，工艺参数为浸渍温度在200～240℃，压力1.5～2.5MPa，浸渍时间2～3小时；浸渍后进行炭化，炭化升温速率为1～2℃/分，炭化终温为900℃～1200℃，在室温～600℃炭化压力为1.5～2.5Mpa，在600～最终炭化温度采用常压，且在最终炭化温度处保温20～60分钟；浸渍-炭化循环5～7次，制得致密化炭/炭材料；(4)对制得的致密化炭/炭材料进行高温石墨化处理，石墨化温度为2600～3000℃，达到石墨化温度时保持10～30分钟。
2.如权利要求1所述的一种高导热炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于所述的中间相沥青基炭纤维是自身导热性、模量、强度较高的短切炭纤维。
3.如权利要求1所述的一种高导热炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于所述的中间相沥青粘结剂软化点为230～280℃，中间相含量为70～100％。
全文摘要
一种高导热炭/炭复合材料的制备方法是将中间相沥青基炭纤维与中间相沥青粘结剂混合均匀后热模压成型制得生制品，生制品进行炭化处理制得低密炭/炭，然后对低密炭制品进行液相沥青浸渍－炭化致密化处理，最后进行高温石墨化处理制得高导热炭/炭制品。本发明具有工艺简单、成本低，工艺调整便利，所制炭/炭制品导热率较高等特点。
文档编号C09K5/00GK1546599SQ200310109699
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月11日 优先权日2003年12月11日
发明者刘朗, 高晓晴, 郭全贵, 刘 朗 申请人:中国科学院山西煤炭化学研究所