一种石墨烯和碳纤维复合热界面材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及碳复合材料领域，具体地说涉及一种石墨烯和碳纤维复合热界面材料 的制备方法。
【背景技术】
[0002] 碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片 状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨 材料。
[0003] 石墨烯自2004年被发现以来就作为一种新型碳材料而备受关注。它是一种完全由 sp2杂化的碳原子构成的厚度仅为单原子层或数个单原子层的准二维晶体材料，具有高透 光性和导电性、导热性、高比表面积、高强度及柔韧性等优异的性能。由于石墨烯泡沫骨架 本身具有优异的导热能力，其热导率高达5000W/(m.K)，是铜的10倍，此外石墨烯还具有高 达2600m2/g的超高比表面积和100倍于钢的超高强度，且具有很好的柔韧性和伸展性。因 此，理论上石墨烯是一种理想的轻质、高效热管理材料。
[0004] 相比于传统的散热金属材料，采用石墨烯和碳纤维制备的高导热C/C复合材料因 具有优异的低密度、高导热、低热胀系数和独有的高温高强度等性能而成为目前最佳的高 导热候选材料。
[0005] 目前制备石墨烯和碳纤维复合材料的方法主要有以下三大类： 一类是将石墨烯加入到纺丝原液中，再经各种纺丝工艺制备石墨烯掺杂的碳纤维，如 中国专利号"201110450967.6"在2012年7月4日公开了一种石墨烯改性的聚丙烯腈基碳纤 维的制备方法，但这类方法的主要问题是石墨烯和碳纤维的上面官能团较少，导致石墨烯 与碳纤维的分散和结合是一大难点。
[0006] 第二类是将制备好的碳纤维采用涂覆和等离子方法处理将石墨烯同碳纤维结合， 如中国专利号"2〇〇91〇〇67708.8"在2009年6月24日公开了一种石墨烯与碳纤维复合材料， 但采用等离子体的处理方法较为繁琐且需要特殊的设备，因此这类方法存在着制备难度大 和成本较高的缺陷。
[0007] 第三类是采用电泳的方法使石墨烯沉积到碳纤维表面，如中国专利号 "201310582391.8"在2014年3月5日公开了一种石墨烯/碳纤维复合材料的制备方法，该种 方法的主要问题是由于石墨烯上基本没有官能团，导致在石墨烯很难稳定带上带电的离 子。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种石墨烯和碳纤维复 合热界面材料的制备方法，本发明能够解决以下技术问题，一是简化目前的生产工艺，并降 低复合热界面材料的制备成本;二是能使石墨烯在复合热界面材料中形成三维的导热网络 结构，进而达到提高产品导热系数的目的。
[0009] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： 一种石墨烯和碳纤维复合热界面材料的制备方法，其特征在于:将石墨烯材料铺设在 碳纤维材料上，然后经压片得到石墨烯一碳纤维一石墨烯的夹层材料，再对夹层材料进行 辊压，即可得到复合热界面材料。
[0010] 所述石墨稀材料为石墨稀粉末，所述碳纤维材料为碳纤维表面毯或碳纤维布，制 备夹层材料时，先将石墨烯粉末均匀铺设在碳纤维材料的上表面，铺平后采用挤压的方式 使石墨烯粉末粘附在碳纤维材料的上表面，然后放入平板硫化机中对碳纤维材料的上表面 进行压片；同理，再采用同样的方式在碳纤维材料的下表面上均匀铺设相同质量的石墨烯 粉末，然后放入平板硫化机中对碳纤维材料的下表面进行压片，压片完成后即得到石墨 烯一碳纤维一石墨烯的夹层材料。
[0011] 所述的夹层材料在辊压机中进行辊压，辊压时，在夹层材料的上下两面铺设有保 护层。
[0012] 所述石墨烯材料为石墨烯膜层，所述碳纤维材料为碳纤维表面毡或碳纤维布，制 备复合热界面材料时，先按照石墨烯膜层、碳纤维材料、石墨烯膜层的顺序放入平板硫化机 中进行压片，得到石墨烯一碳纤维一石墨烯的夹层材料，然后再将夹层材料放入辊压机中 辊压，辊压后即得到复合热界面材料。
[0013] 所述石墨烯膜层通过平板硫化机对均匀铺设有石墨烯粉末的保护层经压片而成。 [0014]所述石墨稀膜层的厚度为0.001-10mm。
[0015] 所述平板硫化机的压力为0.1-lOOMPa，平板硫化机每次压片的时间为1-50min。 [001?]所述碳纤维材料的表面上，每平方米表面内的石墨稀粉末量为1 一400g。
[0017]所述石墨稀粉末的层数为1一50层，所述复合热界面材料的厚度为0.001-10mm。
[0018] 所述保护层为离型膜、铝箱或硫酸纸。
[0019] 采用本发明的优点在于： 一、本发明中的碳纤维材料(碳纤维表面毡或碳纤维布)本身具有各异向性和导热性 能，可以使热量从一个面到另外一个面。本发明通过挤压与辊压的方式使石墨烯进入到碳 纤维材料本身的孔隙中，形成石墨烯一碳纤维一石墨烯的夹层结构，石墨烯被碳纤维材料 切割成不同的单元结构，从而能够形成一个具有三维网络导热结构的复合热界面材料。其 中，在石墨烯和碳纤维的复合热界面材料中，三维网络导热结构的复合热界面材料在纵向 上具有很高的导热系数，而均匀铺设在碳纤维材料表面的石墨烯又使复合热界面材料在横 向平面上具有很高的导热系数，因此，由石墨烯和碳纤维制备的复合热界面材料无论是在 纵向上，还是横向平面上都具有很高的导热系数。另外，本发明通过挤压与辊压的方式完成 复合热界面材料的制备，具有生产工艺简单、制造成本低和产品导热性能好等优点。
[0020] 二、本发明在辊压时，不论是在形成石墨烯一碳纤维一石墨烯的夹层结构之后铺 设保护层，还是在形成石墨烯一碳纤维一石墨烯的夹层结构之前铺设保护层，均是为了防 止辊压设备对复合热界面材料造成污染或防止热界面材料粘在辊上，从而对产品造成破坏 以及其它影响，其目的是为了提高热界面材料的质量。
[0021] 三、本发明中，热界面材料主要用在发热源和散热器之间，热界面材料的厚度越 薄，热量传输的距离也就越短，其导热效果也就越好。因此，将石墨烯膜层的厚度设置为 0.001一1〇_，有利于提高热界面材料的导热效果。
[0022] 四、本发明中，夹层材料通过平板硫化机在0.1-lOOMPa的压力下压制1一50min而 形成，这样的压制方式有利于提高夹层材料的均匀性，即使得压制后的夹层材料的均匀性 更好。
[0023] 五、本发明中，在碳纤维材料的表面上，每平方米表面内铺设的石墨烯粉末量为 1一400g，该设置方式使得石墨烯能够均匀分布到碳纤维表面上，从而有利于提高最终产品 的质量。
[0024] 六、本发明采用离型膜、铝箱或硫酸纸作为保护层，具有保护效果好、成本低廉和 便于与复合热界面材料分离的优点。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明中碳纤维表面毡的SEM图； 图2为本发明中复合热界面材料的SEM图。
【具体实施方式】
[0026] 实施例1 一种石墨烯和碳纤维复合热界面材料的制备方法，选取碳纤维表面毡作为碳纤维材 料，选取石墨烯粉末作为石墨烯材料。材料选取完成后，先将石墨烯粉末均匀铺设在碳纤维 表面毡的上表面，铺平后采用一块薄板轻压平铺在碳纤维表面毡上表面的石墨烯粉末，使 石墨烯粉末粘附在碳纤维表面毡上，然后将碳纤维表面毡放入平板硫化机中，并在〇 .IMPa 的压力下对碳纤维表面毡的上表面进行压片lmin。同理，再采用同样的方式在碳纤维表面 毡的下表面上均匀铺设相同质量的石墨烯粉末，然后在相同的条件下在平板硫化机中对碳 纤维表面毡的下表面进行压片，压片完成后即得到石墨烯一碳纤维一石墨烯的夹层材料。 得到夹层材料后，先在夹层材料的上下表面铺设由离型膜制成的保护层，再将夹层材料放 入辊压机中辊压至0.001mm的厚度，撕掉离型膜即可得到复合热界面材料。其中，所述石墨 烯粉末的层数为1层，所述碳纤维表面毡上，每平方米表面内的石墨烯粉末量为lg。
[0027] 实施例2 一种石墨烯和碳纤维复合热界面材料的制备方法，选取碳纤维表面毡作为碳纤维材 料，选取石墨烯粉末作为石墨烯材料。材料选取完成后，先将石墨烯粉末均匀铺设在碳纤维 表面毡的上表面，铺平后采用一块薄板轻压平铺在碳纤维表面毡上表面的石墨烯粉末，使 石墨烯粉末粘附在碳纤维表面毡上，然后将碳纤维表面毡放入平板硫化机中，并在lOOMPa 的压力下对碳纤维表面毡的上表面进行压片50min。同理，再采用同样的方式在碳纤维表面 毡的下表面上均匀铺设相同质量的石墨烯粉末，然后在相同的条件下在平板硫化机中对碳 纤维表面毡的下表面进行压片，压片完成后即得到石墨烯一碳纤维一石墨烯的夹层材料。 得到夹层材料后，先在夹层材料的上下表面铺设由铝箱制成的保护层，再将夹层材料放入 辊压机中辊压至1〇_的厚度，撕掉铝箱即可得到复合热界面材料。其中，所述石墨烯