本发明涉及热解炭材料领域，具体为一种具有超高导热性能的退火态热解石墨的制备方法。
背景技术
随着我国航空航天技术的快速发展，电子设备的元器件集成度越来越高，其热耗及热流密度也成倍的增加，同时对材料的轻量化也提出苛刻的要求，传统的铝、铜、银等金属材料的导热性能和高密度已经无法满足其需求。与金属材料相比，高导热石墨材料具有质量轻，导热系数大等特点，其作为散热材料不仅可以满足器件的热传导性能，同时能有效减轻器件的重量，是近年来最具有发展潜力的一类散热材料。
具有超高导热性能的退火态热解石墨(apg，annealedpyrolyticgraphite)是热解石墨(pg，pyrolyticgraphite)在一定的压力下经高温热处理而得到的一种新材料，该材料具有高度的各向异性，在ab向层面内的热导率达到1600w/(m·k)以上，是金属铜的四倍以上，而其密度仅为铜的四分之一左右(＜2.3g/cm3)。上世纪70年代美、加等国就开展退火态热解石墨的研制工作，80年代已将该材料及其复合材料成功应用于航空、航天等系统中，目前美国已经制备出热导率超过1700w/(m·k)的apg材料。
而国内也有不少关于高导热石墨材料的报道和专利，如：中国专利(公开号cn103011141a)，采用如聚酰亚胺薄膜在保护气氛下炭化，并经石墨化(2500～3000℃)处理而得到的高导热石墨薄膜，其热导率亦可达到1600w/(m·k)，但是其厚度只有0.0125mm～0.075mm，增大厚度热导率会显著下降，限制其在航空、航天领域的应用。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种具有超高导热性能的退火态热解石墨的制备方法，以拓宽高导热石墨材料在航空、航天领域作为散热片的应用。
本发明的技术方案是：
一种具有超高导热性能的退火态热解石墨的制备方法，包括以下步骤：
(1)热解石墨的制备：
采用化学气相沉积工艺，以石墨作为沉积基体并置于感应炉中，打开真空泵将感应炉内空气排出，感应炉内真空度达到300pa以下时，对感应炉通电升温；当温度达到设定的沉积温度时，按照比例同时通入载气和反应气体，反应时间为5分钟～40小时，制备得到沉积态热解石墨材料；
(2)热解石墨的高温高压热处理：
将制备得到的沉积态热解石墨材料加工成所需要的尺寸，放在表面光滑的石墨模具中，在施加压力和真空或保护气氛的条件下进行热处理，施加压力产生的压强为0.5～10mpa，在预定温度2800～3100℃下热处理0.5～20小时，然后随炉冷却至室温，得到具有超高导热性能的退火态热解石墨材料。
所述的具有超高导热性能的退火态热解石墨的制备方法，载气为氮气或氩气，反应气体为碳氢气体。
所述的具有超高导热性能的退火态热解石墨的制备方法，碳氢气体占载气和反应气体总流量的20％～40％，其余为载气。
所述的具有超高导热性能的退火态热解石墨的制备方法，沉积温度为1700℃～2100℃。
本发明的设计思想是：
本发明利用中频感应炉首先采用化学气相沉积工艺制备热解石墨材料，因为热解石墨的热导率只有350～400w/(m·k)，已无法满足航空、航天电子元器件的散热要求。石墨材料高的热导率主要依靠晶格的非简谐振动传递热量，微晶尺寸越大，所传递的热量越多。基于此本发明将热解石墨在石墨化炉中进行高温高压热处理，使热解石墨的微晶尺寸增大，片层结构趋于更加完整，制备出具有超高导热性能的退火态热解石墨材料。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明提供一种超高导热退火态热解石墨的制备方法，包括以下步骤：(1)热解石墨的制备：采用化学气相沉积方法，利用中频感应炉通过控制温度、气体流量及反应时间等在石墨基体上制备热解石墨；(2)热解石墨的高温高压热处理：经过高温高压热处理得到具有超高导热性能的退火态热解石墨。从而，可以制备厚度为0.5mm～20mm的退火态热解石墨材料。
2、本发明退火态热解石墨的片层结构较为完整，具有非常好的导热性能，在ab向面内的热导率可达到1600w/(m·k)以上。
附图说明：
图1热解石墨沉积装置示意图。图中，1感应炉；2碳氢气体和载气进气口；3石墨基体；4尾气出气口。
图2超高导热退火态热解石墨扫描电镜照片。
具体实施方式
如图1所示，本发明中热解石墨沉积装置设有感应炉1，感应炉1的两端分别设置碳氢气体和载气进气口2、尾气出气口4。使用时，首先将石墨基体3置于感应炉1中，打开真空泵将感应炉1内空气排出，感应炉1内真空度达到300pa以下时，通电升温。当温度达到设定的沉积温度(1700℃～2100℃)时，按照比例同时通入碳氢气体(如：甲烷、乙烯、乙炔、乙烷、丙烷等)和载气，反应时间为5分钟～40小时，制备得到沉积态热解石墨(pg)材料，沉积层厚度为0.1mm～20mm。
将制备得到的沉积态热解石墨(pg)材料材料加工至所需尺寸后，放入高温热处理炉中，通过表面光滑的石墨模具对其施加压力，在真空或保护气氛下进行高温(2800～3100℃)、高压(0.5～10mpa)热处理，随炉冷却至室温，得到具有超高导热性能的退火态热解石墨材料。
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中，沉积温度2000℃，丙烷气体流量0.4m3/h，氮气流量0.6m3/h，沉积基体是尺寸为420×100mm的6块石墨板，石墨板表面经过抛光处理。将石墨板装入感应炉中，打开真空泵排除感应炉内空气，按照15℃/min的升温速率升温至2000℃，此时感应炉内真空度为150pa，同时通入氮气和丙烷进行化学气相沉积。沉积时间5h，获得规格尺寸为420×100×1.5mm的沉积态热解石墨板材。
将pg板加工成200×90×1mm的pg片，放入石墨化炉中加压0.5mpa，在2900℃下进行热处理1小时，热处理后随炉冷却至室温，得到具有超高导热性能的退火态热解石墨片，其热导率为1721w/(m·k)。
如图2所示，利用扫描电子显微镜观察材料断口，发现石墨片层结构十分完整。
实施例2
本实施例中，沉积温度1950℃，丙烷气体流量0.45m3/h，氮气流量0.8m3/h，沉积基体是尺寸为420×120mm的6块石墨板，石墨板表面经过抛光处理。将石墨板装入感应炉中，打开真空泵排除感应炉内空气，按照15℃/min的升温速率升温至1950℃，此时感应炉内真空度为160pa，同时通入氮气和丙烷进行化学气相沉积。沉积时间30h，获得规格尺寸为420×120×7mm的沉积态热解石墨板材。
将pg板加工成100×60×4mm的pg片，放入石墨化炉中加压0.5mpa，在3000℃下进行热处理3小时，热处理后随炉冷却至室温，得到具有超高导热性能的退火态热解石墨片，其热导率为1736w/(m·k)。利用扫描电子显微镜观察材料断口，发现石墨片层结构十分完整。
实施例3
本实施例中，沉积温度2100℃，丙烷气体流量0.35m3/h，氮气流量0.9m3/h，沉积基体是尺寸为420×150mm的6块石墨板，表面经过抛光处理。将石墨板装入感应炉中，打开真空泵排除感应炉内空气，按照15℃/min的升温速率升温至2100℃，此时感应炉内真空度为100pa，同时通入氮气和丙烷进行化学气相沉积。沉积时间40h，获得规格尺寸为420×150×15mm的沉积态热解石墨板材。
将pg板加工成200×100×12mm的pg片，放入石墨化炉中加压5mpa，在2800℃下进行热处理8小时，热处理后随炉冷却至室温，得到具有超高导热性能的退火态热解石墨片，其热导率为1679w/(m·k)。利用扫描电子显微镜观察材料断口，发现石墨片层结构十分完整。
实施例4
本实施例中，沉积温度1850℃，乙炔气体流量0.2m3/h，氮气流量0.8m3/h，沉积基体是尺寸为420×100mm的6块石墨板，表面经过抛光处理。将石墨板装入感应炉中，打开真空泵排除感应炉内空气，按照15℃/min的升温速率升温至1850℃，此时感应炉内真空度为200pa，同时通入氮气和乙炔进行化学气相沉积。沉积时间30h，获得规格尺寸为420×100×10mm的沉积态热解石墨板材。
将pg板加工成150×80×8mm的pg片，放入石墨化炉中加压8mpa，在3100℃下进行热处理2小时，热处理后随炉冷却至室温，得到具有超高导热性能的退火态热解石墨片，其热导率为1805w/(m·k)。利用扫描电子显微镜观察材料断口，发现石墨片层结构十分完整。