本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)熱柔性石墨薄膜的制備方法。確切的說，是采用中間相瀝青石墨纖維增強(qiáng)的膨脹石墨制成的高導(dǎo)熱柔性石墨薄膜的方法。
技術(shù)背景
石墨是由碳原子的六元環(huán)結(jié)構(gòu)為基本單元，這些碳六元環(huán)以層狀結(jié)構(gòu)堆積而成，這種層狀結(jié)構(gòu)使得石墨在面內(nèi)具有很高的導(dǎo)熱能力。近年來，人們對石墨的導(dǎo)熱性質(zhì)越來越重視，因此高導(dǎo)熱石墨的制備成為熱點(diǎn)。
石墨的生產(chǎn)方法有很多種，如傳統(tǒng)的粘結(jié)劑加骨料，經(jīng)成型、焙燒、石墨化等工藝制成。由膨脹石墨也可以制成多種石墨制品。這是由于膨脹石墨是由天然石墨經(jīng)插層、膨脹形成的一種膨化的石墨，又稱為膨脹石墨蠕蟲。這種膨脹石墨是由多層碳六元環(huán)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，在壓力作用下可以制成薄膜或者塊體石墨。由膨脹石墨制成的薄膜稱為柔性石墨薄膜。柔性石墨薄膜的結(jié)合是由膨脹石墨之間的嚙合力結(jié)合的，常見的工業(yè)化產(chǎn)品有柔性石墨板和柔性石墨薄膜。其中，柔性石墨薄膜具有較高的導(dǎo)熱性能。如專利(申請?zhí)?01310539573.7)“一種高導(dǎo)熱天然柔性石墨薄膜的制備方法”中，采用將天然鱗片石墨插層、膨化、輥壓的方法制成柔性石墨薄膜，所制備的薄膜密度為：1.0-1.6g/cm3，拉伸強(qiáng)度為7-12MPa，導(dǎo)熱系數(shù)300-620W/m.K。但單純由膨脹石墨制備的柔性石墨薄膜的強(qiáng)度不高，給實(shí)際應(yīng)用造成一定困難。針對這一缺點(diǎn)，專利(申請?zhí)?01210194049.6)“一種導(dǎo)熱纖維增強(qiáng)的高導(dǎo)熱石墨散熱片的制備方法”采用由石墨纖維、碳纖布或碳纖維作為增強(qiáng)劑，用粘結(jié)劑將該石墨導(dǎo)熱散熱板與該增強(qiáng)劑進(jìn)行噴涂貼合，制成導(dǎo)熱纖維增強(qiáng)的高導(dǎo)熱石墨散熱片。但由于增強(qiáng)劑、特別是粘結(jié)劑的加入，降低了石墨薄膜的整體導(dǎo)熱系數(shù)。在專利(申請?zhí)?01410383261.6)“一種導(dǎo)熱纖維增強(qiáng)的高導(dǎo)熱石墨散熱片及制備方法”中，將石墨粉和石墨纖維混合，經(jīng)一定方式處理后在高溫爐中膨化，然后壓制成高導(dǎo)熱石墨散熱片。石墨纖維起著增強(qiáng)的作用。但該專利中增強(qiáng)劑石墨纖維也經(jīng)歷前期處理，其強(qiáng)度顯著下降，增強(qiáng)效果不佳。所以，高導(dǎo)熱石墨散熱片(薄膜)綜合性能還有待改進(jìn)。
本發(fā)明是針對柔性石墨薄膜強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，采用石墨纖維對柔性石墨薄膜增強(qiáng)，其中對石墨纖維的混入方式進(jìn)行改進(jìn)以達(dá)到提高高導(dǎo)熱石墨薄膜的強(qiáng)度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明是涉及一種石墨纖維增強(qiáng)柔性石墨薄膜的方法，采用石墨纖維與酸化石墨混合、高溫膨化、壓延等工藝制成強(qiáng)度高的石墨薄膜。石墨纖維在酸化石墨膨化過程中均勻分散在膨脹石墨中，石墨纖維搭接在不同膨脹石墨團(tuán)簇(蠕蟲)之間，在壓延成型過程中將不同膨脹石墨團(tuán)連接，使整體柔性石墨薄膜強(qiáng)度得到有效提高。
上述增強(qiáng)的原理如下：石墨纖維作為增強(qiáng)劑對柔性石墨薄膜增強(qiáng)，整個材料是石墨纖維與膨脹石墨的復(fù)合材料。膨脹石墨是由其原料天然石墨粉體形成的膨化結(jié)構(gòu)，由石墨粉體內(nèi)的晶體為單元的膨化石墨團(tuán)簇，也成為膨脹石墨蠕蟲。在以往的單純由膨脹石墨制備的柔性石墨薄膜中，不同的膨脹石墨團(tuán)是依靠石墨片層的嚙合(在外加壓力，如壓延)結(jié)合在一起的，它們之間存在著界面，其結(jié)合狀況是決定柔性石墨薄膜強(qiáng)度。提高這些界面的結(jié)合強(qiáng)度可以提高整個柔性石墨薄膜的宏觀強(qiáng)度。石墨纖維中碳六元環(huán)的取向十分理想，使其在長度方向的強(qiáng)度很高，將石墨纖維搭接在膨脹石墨團(tuán)簇之間，可以使界面結(jié)合得到顯著改善。酸化石墨在高溫環(huán)境中快速膨脹，自身具有混合效應(yīng)，將周邊的石墨纖維均勻分布在膨化石墨中。這樣的混合物制成的柔性石墨薄膜強(qiáng)度得到有效改善。
具體制備過程如下：
(1)取粒度30-100目的天然石墨粉采用常規(guī)方法制成酸化石墨；
(2)將酸化石墨與1-3mm的石墨纖維混合，混合比例為酸化石墨∶石墨纖維＝100∶(0.5-2)；
(3)將上述混合物在800-1200℃下膨化制成膨脹石墨；
(4)將膨脹石墨經(jīng)壓延制成柔性石墨薄膜。
上述步驟(1)中所述的酸化石墨的制備是指化學(xué)插層法，系以硫酸、硝酸、強(qiáng)氧化劑等處理的方法。
上述步驟(2)中所述的石墨纖維是以中間相瀝青為原料的高導(dǎo)熱石墨纖維。
所制成的柔性石墨薄膜拉伸強(qiáng)度＞15MPa，厚度為10-30微米，導(dǎo)熱系數(shù)在400-650W/m.K。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
石墨纖維作為增強(qiáng)劑搭接在膨脹石墨團(tuán)簇(蠕蟲)之間，有效地增強(qiáng)了柔性石墨薄膜。
具體實(shí)施方式：
實(shí)施例1
將30目的天然石墨經(jīng)常規(guī)方法處理制成酸化石墨；以酸化石墨∶石墨纖維＝100∶2的比例混合，其中石墨纖維長度為1.0mm；將混合物在800℃膨化制成石墨纖維和膨化石墨的混合物；將該混合物經(jīng)壓延制成柔性石墨薄膜。該薄膜的厚度12.7μm，拉伸強(qiáng)度為16.1MPa，導(dǎo)熱系數(shù)491W/m.K。
實(shí)施例2
將30目的天然石墨經(jīng)常規(guī)方法處理制成酸化石墨；以酸化石墨∶石墨纖維＝100∶1.5的比例混合，其中石墨纖維長度為2.1mm；將混合物在800℃膨化制成石墨纖維和膨化石墨的混合物；將該混合物經(jīng)壓延制成柔性石墨薄膜。該薄膜的厚度14.9μm，拉伸強(qiáng)度為17.2MPa，導(dǎo)熱系數(shù)510W/m.K。
實(shí)施例3
將30目的天然石墨經(jīng)常規(guī)方法處理制成酸化石墨；以酸化石墨∶石墨纖維＝100∶1.5的比例混合，其中石墨纖維長度為2.95mm；將混合物在800℃膨化制成石墨纖維和膨化石墨的混合物；將該混合物經(jīng)壓延制成柔性石墨薄膜。該薄膜的厚度21.6μm，拉伸強(qiáng)度為15.3MPa，導(dǎo)熱系數(shù)452W/m.K。
實(shí)施例4
將50目的天然石墨經(jīng)常規(guī)方法處理制成酸化石墨；酸化石墨∶石墨纖維＝100∶1的比例混合，其中石墨纖維長度為1.0mm；將混合物在1000℃膨化制成石墨纖維和膨化石墨的混合物；將該混合物經(jīng)壓延制成柔性石墨薄膜。該薄膜的厚度11.2μm，拉伸強(qiáng)度為19.1MPa，導(dǎo)熱系數(shù)630W/m.K。
實(shí)施例5
將50目的天然石墨經(jīng)常規(guī)方法處理制成酸化石墨；以酸化石墨∶石墨纖維＝100∶1的比例混合，其中石墨纖維長度為2.1mm；將混合物在1000℃膨化制成石墨纖維和膨化石墨的混合物；將該混合物經(jīng)壓延制成柔性石墨薄膜。該薄膜的厚度10.3μm，拉伸強(qiáng)度為16.9MPa，導(dǎo)熱系數(shù)649W/m.K。
實(shí)施例6
將50目的天然石墨經(jīng)常規(guī)方法處理制成酸化石墨；以酸化石墨∶石墨纖維＝100∶1的比例混合，其中石墨纖維長度為2.95mm；將混合物在1000℃膨化制成石墨纖維和膨化石墨的混合物；將該混合物經(jīng)壓延制成柔性石墨薄膜。該薄膜的厚度12.1μm，拉伸強(qiáng)度為17.1MPa，導(dǎo)熱系數(shù)572W/m.K。
實(shí)施例7
將100目的天然石墨經(jīng)常規(guī)方法處理制成酸化石墨；以酸化石墨∶石墨纖維＝100∶0.5的比例混合，其中石墨纖維長度為2.1mm；將混合物在1200℃膨化制成石墨纖維和膨化石墨的混合物；將該混合物經(jīng)壓延制成柔性石墨薄膜。該薄膜的厚度29.8μm，拉伸強(qiáng)度為15.1MPa，導(dǎo)熱系數(shù)403W/m.K。