碳纤维绝缘体及其制备方法与流程

本发明涉及一种碳纤维绝缘体和其生产方法。更具体地，本发明涉及一种从多相层压毡(heterogeneouslaminatedfelt)生产的碳纤维绝缘体，所述多相层压毡包括具有层压在其中的至少一个碳纤维垫的碳纤维垫层压体和至少设置于所述碳纤维垫层压体的上部和下部之一的低碳化率纤维垫。

背景技术：
碳材料具有高的热导率和电导率，以及优异的机械强度，已被广泛用于各种工业领域。通过将碳材料加工成纤维状而形成的碳纤维是指具有不少于90％的碳含量的纤维状的材料，并具有极好的热导率，导电率，和物质的机械性能。具有纤维状的碳纤维具有高的加工性和广泛的适用性，并且在众多的碳材料中引起特别的关注。碳纤维在高温下尤其具有优异的性能，与在高温下机械强度变差的金属材料相反，随着温度的上升机械强度变大，并且被认为是具有小的热膨胀系数并且可用于在非氧化性气氛中高达3000℃温度的唯一材料。碳纤维根据它们的原料可以分为PAN基碳纤维，人造丝基碳纤维和沥青基碳纤维。PAN基碳纤维比其他材料相对较轻，具有有利的物质的机械性能，因此被广泛用在高品质的运动和休闲用品中，如高尔夫球杆，钓鱼杆，等等，并且目前被视为在通常金属材料所用于的车辆，船舶等领域中代替金属的一种材料。由廉价的原料制得的人造丝基碳纤维可以以低成本简单地生产。因此，人造丝基碳纤维可以大量地生产，这使人造丝基碳纤维能够用作通用的碳纤维。沥青基碳纤维是通过使用煤焦油和石油渣油作为原料生产的，并分为各向同性碳纤维和各向异性碳纤维，并且根据目的和生产方法被广泛地用作通用材料和特殊的功能性材料。特别地，沥青基碳纤维是通过使用非常便宜的炭煤焦油和石油渣油生产的，并且作为工业材料具有各种应用领域，因为它具有高的模量值，并且在高温下几乎不会热变形。另外，也通过改变其生产方法可获得物质所需要的性质，并且其特征事实上在于作为功能材料以及通用碳纤维，它可以被广泛地用于特殊领域。基于该性质，在工业领域对于沥青基碳纤维的需求迅速上升，尤其是在高温绝缘体领域更是如此。高温绝缘体是用于在温度不低于大约1500℃的熔炉中的特殊的工业材料，并且到目前为止，碳纤维是可以在温度不低于1500℃下使用的唯一材料。高温绝缘体是用于生产在光电领域中使用的半导体和多晶硅的基本材料，并且需要良好的绝热性能和物质的高纯度性质，并且各向同性碳纤维可以用作源材料。在生产高温绝缘体的方法中，有一种如下的方法：将具有短长度的碳纤维分散到分散溶剂中，然后浸渍粘合剂，以使用模具形成绝缘体。上述生产绝缘体的方法是通过将1-5mm的碳纤维分散到如水或醇的溶剂中形成碳纤维绝缘体的方法，并具有分散不容易发生且需要大量的分散溶剂的缺点。通常，碳纤维以扭曲的形状存在，并且因此很难使用分散溶剂分散碳纤维，并且即使当分散发生时，分散效果也不良好，这使得难以得到具有优异的绝热性能的高温绝缘体。生产高温绝缘体的另一种方式使用碳纤维垫生产绝缘体。收集并沉积纺丝碳纤维，进行诸如开口，梳理和针刺的处理以生产碳纤维垫，并然后将碳纤维垫浸渍于粘合剂中以被层压，加压，固化以形成绝缘体(参照图1)。这是生产绝缘体的一种有效方式，因为与上述方法不同，该方法不需要单独的分散处理，但参照图1和图2时，垂直于碳纤维垫的层压表面的碳纤维由针刺形成，且热辐射量增加(绝热性能下降)，这使得它难以生产具有优异性能的绝缘体。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种碳纤维绝缘体和其生产方法。由于碳纤维是垂直于碳纤维垫的层压表面并由针刺形成，导致热辐射量增加，本发明的目的是提供一种碳纤维绝缘体，其中垂直于低碳化率纤维垫和层压表面的纤维被从多相层压毡中除去，所述多相层压毡包括至少设置于碳纤维垫层压体的上部和下部之一的低碳化率纤维垫，所述碳纤维垫层压体具有层压在其中的至少一个碳纤维垫，以及生产碳纤维绝缘体的方法。为了实现上述技术问题，根据本发明的一个方面，能够提供一种通过热处理多相层压毡生产的碳纤维绝缘体，所述多相层压毡包括：具有层压在其中的至少一个碳纤维垫的碳纤维垫层压体；和至少设置于所述碳纤维垫层压体的上部和下部之一的低碳化率纤维垫，其中所述碳纤维垫层压体和低碳化率纤维垫通过在所述碳纤维垫层压体的厚度方向的针刺处于束缚态。根据本发明的另一个方面，能够提供一种碳纤维绝缘体的生产方法，包括：(a)制备包括具有层压在其中的至少一个碳纤维垫的碳纤维垫层压体和至少设置于所述碳纤维垫层压体的上部和下部之一的低碳化率纤维垫的均质毡，其中所述碳纤维垫层压体和低碳化率纤维垫通过在所述碳纤维垫层压体的厚度方向的针刺处于束缚态；(b)将多相层压毡浸渍到粘合剂树脂中并固化所述多相层压毡；和(c)热处理固化的多相层压毡以从多相层压毡除去低碳化率纤维垫。当根据本发明的一个实施方案通过使用多相层压毡生产碳纤维绝缘体时，可以除去在碳纤维垫层压体(具有层压在其中的至少一个碳纤维垫)的层压方向(厚度方向)针刺的纤维，从而解决了由于热辐射量增加的绝缘性能下降的问题。附图说明通过详细描述示例性实施方案并参照附图，本发明的上述和其它特征和优点将变得更加明显，其中：图1示出根据现有技术的一种生产碳纤维毡和绝缘体的方法；图2示出根据现有技术的绝缘体中的热流；图3示出根据本发明的一个实施方案生产多相层压毡和绝缘体的方法；和图4示出根据本发明的一个实施方案的绝缘体中的热流。发明详述为了更容易理解本发明，在本申请中得当地限定特殊术语。除非另有相反定义，本发明中使用的科学术语和技术术语具有本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义。此外，除非在上下文中特别指明，单数形式的术语应理解为包括其复数形式，而复数形式的术语应理解为包括其单数形式。虽然包括如第一，第二等序数的术语可用于描述各种构件，但是所述构件不受限于这些术语。这些术语仅用于将一个构件与另一个构件区别开来。根据本发明的另一个方面，能够提供一种通过热处理多相层压毡33生产的碳纤维绝缘体35，所述多相层压毡33包括：具有层压在其中的至少一个碳纤维垫11的碳纤维垫层压体21；和至少设置于所述碳纤维垫层压体21的上部和下部之一的低碳化率纤维垫31，其中所述碳纤维垫层压体21和低碳化率纤维垫31通过针刺在所述碳纤维垫层压体的厚度方向处于束缚态。本文所用的术语“垫”通常指不通过针刺连接的片状材料，本文所用的术语“毡”通常指通过针刺连接的层压型材料。这里，碳纤维垫层压体21的厚度方向是指垂直于碳纤维垫层压体表面12的方向。碳纤维垫11指在碳化处理期间除了碳的元素(例如，氧或氢)被除去的纤维垫，使得没有元素(除了碳)基本上保留在碳纤维垫中，并且在一个实施方案中，碳纤维垫的堆积密度的可以是0.03-0.15g/cm3。另一方面，低碳化率纤维垫31是指其中的元素除了碳(例如，氧或氢)的其他元素保留在纤维垫中的纤维垫。这里，低碳化率纤维垫31可以由具有其它形状的材料代替。例如，低碳化率纤维垫31可以由其中多个垫被层压并用作或者也可以用作纤维而非垫本身的毡代替。在一个实施方案中，低碳化率纤维垫31可以具有不高于10％，优选低于5％，和更优选低于3％的碳化率。这里，碳化率可被定义为在热处理后剩余的低碳化率纤维垫的质量比。也就是说，在800-2300℃所选范围的温度下进行热处理后，小于存在于初始多相层压毡中的原始质量的5％的，低碳化率纤维垫能够保留。因此，在最后通过热处理形成的碳纤维绝缘体35中，低碳化率纤维垫31可以以低于存在于初始多相层压毡中的质量的5％的比例保留，或优选低于质量的3％的比例，或更优选没有低碳化率纤维垫31可以基本上保留。当在热处理后没有低碳化率纤维垫31基本上保留时，最终形成的碳纤维绝缘体35可仅由碳纤维垫层压体21组成。在一个实施方案中，低碳化率纤维垫31可以由至少一种...