相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2014年12月8日提交的美國專利申請第14/562942號的優(yōu)先權(quán)，其通過引用整體并入本文。

背景

石墨是碳的同素異形體，并且具有層狀平面結(jié)構(gòu)。在每個層中，碳原子通過共價鍵排列成六邊形陣列或網(wǎng)絡(luò)。然而，不同的碳層僅由弱范德華力保持在一起。

石墨由于其優(yōu)異的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性、輕便性、低摩擦性和耐高溫和耐腐蝕性已被廣泛應(yīng)用于包括電子、原子能、熱金屬加工、涂料、航空航天等應(yīng)用。例如，已經(jīng)提出石墨作為替代熱交換或散熱材料來代替諸如al、cu的金屬。然而，石墨是脆性的并且具有低的耐沖擊性，這嚴重限制了其在苛刻和惡劣環(huán)境中的實際應(yīng)用。此外，盡管石墨在平行于碳層的方向上具有高導(dǎo)熱性，但是其沿著與碳層垂直的方向的導(dǎo)熱性極低。各向異性導(dǎo)熱性可能不利地影響石墨導(dǎo)熱或散熱性質(zhì)的整體效率。因此，該行業(yè)總是接受具有改善的機械強度和增強的熱性質(zhì)的新型石墨材料。如果這樣的材料也具有改善的耐高溫腐蝕性，這將是另一個優(yōu)點。

簡述

在一個實施方案中，通過碳復(fù)合材料克服了現(xiàn)有技術(shù)中的上述和其它缺陷，所述碳復(fù)合材料包括粘合劑和碳微結(jié)構(gòu)，在碳微結(jié)構(gòu)之間具有間隙空間且在碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)具有空隙；其中粘合劑設(shè)置碳微結(jié)構(gòu)之間的間隙空間和碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙中。

在另一個實施方案中，碳復(fù)合材料包括碳微結(jié)構(gòu)和設(shè)置在碳微結(jié)構(gòu)之間的間隙空間中的粘合劑，其中基于碳微結(jié)構(gòu)的總體積，碳微結(jié)構(gòu)包括少于約15體積％的碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙。

一種制造碳復(fù)合材料的方法包括：在碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的間隙空間和碳微結(jié)構(gòu)間的空隙中沉積粘合劑以提供填充的組合物；并在約350℃至約1400℃的溫度和約500psi至約30,000psi的壓力下壓縮填充的組合物以形成碳復(fù)合材料。

附圖簡述

以下描述不應(yīng)被視為以任何方式具有限制性。參考附圖，相同的元件的編號相同：

圖1圖解天然石墨的結(jié)構(gòu)；

圖2圖解膨脹石墨的微結(jié)構(gòu)；

圖3圖解根據(jù)本公開的實施方案的碳復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)；

圖4(a)示出了根據(jù)本公開的實施方案的管狀散熱器；圖4(b)示出了圖4(a)的散熱器的一部分的放大橫截面圖；和

圖5(a)示出了根據(jù)本公開的另一實施方案的替代散熱器；和圖5(b)示出了圖5(a)的散熱器的一部分的放大橫截面圖。

詳述

本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，具有高導(dǎo)熱性和增強的機械強度的碳復(fù)合材料可以由石墨和無機粘合劑形成。與傳統(tǒng)石墨材料相比，碳復(fù)合材料在平行于碳層的方向和垂直于碳層的方向上具有改善的導(dǎo)熱性。此外，碳復(fù)合材料具有顯著增加的結(jié)構(gòu)強度和韌性。在另一個有利的特征中，碳復(fù)合材料保持石墨的各種優(yōu)異性質(zhì)，例如輕便性、低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)異的熱沖擊、高耐化學(xué)性和耐熱性、潤滑性等。

不希望受理論束縛，相信通過設(shè)置在碳微結(jié)構(gòu)之內(nèi)以及之間的無機粘合劑提供導(dǎo)熱性和機械強度的改善。

在考慮石墨結(jié)構(gòu)時，通常會注意到兩個軸或方向：“c”軸或方向和“a”軸或方向?！癱”軸或方向可以被認為是垂直于碳層的方向(也稱為“a-b平面”)。“a”軸或方向可以被認為是平行于碳層的方向或垂直于“c”方向的方向。石墨的碳層可以相對于彼此高度對準(zhǔn)或取向。由于這種高取向度，石墨可呈現(xiàn)各向異性的熱性質(zhì)。天然石墨的結(jié)構(gòu)圖解于圖1中。

膨脹石墨的微結(jié)構(gòu)圖解于圖2中。膨脹石墨可以包括基本上彼此平行的碳微結(jié)構(gòu)1。由于碳微結(jié)構(gòu)間存在間隙空間，因此熱不能沿著“a”方向完全轉(zhuǎn)移。如圖2所示，在相鄰碳微結(jié)構(gòu)之間存在間隙空隙的情況下，路線3不可用。在這種情況下，熱沿著路線1和2傳導(dǎo)。雖然沿路線1的導(dǎo)熱性較高，但沿路線2的導(dǎo)熱性較低。因此，膨脹石墨的整體導(dǎo)熱性可能不太理想。

根據(jù)本公開的碳復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)圖解于圖3中。如圖3所示，導(dǎo)電粘合劑填充碳微結(jié)構(gòu)之間的間隙空間。因此，可以不間斷地沿著“a”方向直接傳遞熱量，從而提高石墨在“a”方向的導(dǎo)熱性。同時，碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙也可以用導(dǎo)電粘合劑填充。因此，也可以提高沿“c”方向的導(dǎo)熱性。

碳復(fù)合材料具有改善的機械強度。在碳微結(jié)構(gòu)之間不存在力或只存在弱的范德華力。因此，石墨體材料具有較弱機械強度。在高溫下，微米或納米級粘合劑液化和/或軟化，使其均勻分散在碳微結(jié)構(gòu)之間。冷卻后，粘合劑固化并形成通過機械互鎖將碳微結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的結(jié)合相。以這種方式，可以大大提高碳復(fù)合材料的機械性質(zhì)。

碳復(fù)合材料包括碳和粘合劑。在一個實施方案中，碳復(fù)合材料包括碳微結(jié)構(gòu)，其中碳微結(jié)構(gòu)間具有間隙空間且在碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)具有空隙；其中粘合劑設(shè)置在碳微結(jié)構(gòu)之間的間隙空間和碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙中。在另一個實施方案中，碳微結(jié)構(gòu)在碳微結(jié)構(gòu)中基本上沒有空隙，填充有粘合劑或未填充。在這種情況下，粘合劑設(shè)置在碳微結(jié)構(gòu)之間的間隙空間中。

碳可以是石墨。如本文所用，石墨包括天然石墨、合成石墨、可膨脹石墨或膨脹石墨中的一種或多種。天然石墨是由大自然形成的石墨。它可以分為“薄片”石墨、“脈”石墨和“無定形”石墨。合成石墨是由碳材料制成的制成品。熱解石墨是合成石墨的一種形式。可膨脹石墨是指在天然石墨或合成石墨層之間插入交錯材料的石墨。已經(jīng)使用各種各樣的化學(xué)品來插入石墨材料。這些化學(xué)品包括酸、氧化劑、鹵化物或類似物。示例性的插入材料包括硫酸、硝酸、鉻酸、硼酸、so3或鹵化物，如fecl3、zncl2和sbcl5。在加熱后，插入劑從液態(tài)或固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?。氣體形成產(chǎn)生壓力，其將相鄰的碳層分開，產(chǎn)生膨脹的石墨。膨脹石墨顆粒的外觀是蠕形狀的，因此通常被稱為蠕蟲。

有利地，碳復(fù)合材料包括膨脹石墨。與其它形式的石墨相比，膨脹石墨具有高柔韌性、高壓縮恢復(fù)性和較大的各向異性。因此，由膨脹石墨和粘合劑形成的復(fù)合材料除了具有理想的機械強度外還具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性。

碳微結(jié)構(gòu)是將石墨壓縮成高縮合狀態(tài)后形成的石墨的微結(jié)構(gòu)。它們包括沿著壓縮方向堆疊在一起的石墨基面。如本文所用，碳基面是指基本上平坦的、平行的碳原子片或?qū)樱渲忻總€片或?qū)泳哂袉蝹€原子厚度。石墨基面也稱為碳層。碳微結(jié)構(gòu)通常平坦而薄。它們可以具有不同的形狀，并且可以稱為微片、微型盤等。在一個實施方案中，碳微結(jié)構(gòu)基本上彼此平行。

在一個實施方案中，碳復(fù)合材料中存在兩種類型的空隙-碳微結(jié)構(gòu)之間的空隙或間隙空間，以及每個個別碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙。碳微結(jié)構(gòu)之間的間隙空間具有約0.1至約100微米、特別是約1至約20微米的大小，而碳微結(jié)構(gòu)中的空隙要小得多，并且通常在約20納米至約1微米、特別是約200納米至約1微米之間。空隙或間隙空間的形狀沒有特別限制。如本文所用，空隙或間隙空間的大小是指空隙或間隙空間的最大大小，并且可以通過高分辨率電子或原子力顯微鏡技術(shù)來確定。

碳微結(jié)構(gòu)之間的間隙空間用微米級或納米級粘合劑填充。例如，粘合劑可以占據(jù)碳微結(jié)構(gòu)之間的間隙空間的約10％至約90％、約20％至約90％、約40％至約90％、約50％至約90％、或約60％至90％。在另一個實施方案中，為了改善導(dǎo)熱性，碳微結(jié)構(gòu)中的空隙用粘合劑填充。例如，粘合劑可以占據(jù)碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的間隙空間的間隙的約10％至約90％、約20％至約90％、約40％至約90％、或約60％至90％。填充碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙的方法包括氣相沉積。

在另一個實施方案中，碳微結(jié)構(gòu)在碳微結(jié)構(gòu)中基本上沒有空隙，未填充或填充有粘合劑。如本文所用，“基本上不含”意指基于碳微結(jié)構(gòu)的總體積，碳微結(jié)構(gòu)含有小于約15體積％、小于約10體積％、小于約5體積％、小于約2體積％的碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙。例如，在碳復(fù)合材料中，碳微結(jié)構(gòu)在碳微結(jié)構(gòu)中含有小于約5重量％、小于約2重量％或小于約1重量％的粘合劑。應(yīng)當(dāng)理解，沉積在碳微結(jié)構(gòu)的外表面上的粘合劑不被認為是碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的粘合劑。

碳微結(jié)構(gòu)具有約1至約200微米、約1至約150微米、約1至約100微米、約1至約50微米或約10至約20微米的厚度。碳微結(jié)構(gòu)的直徑或最大尺寸為約5至約500微米或約10至約500微米。碳微結(jié)構(gòu)的縱橫比可以為約10至約500、約20至約400、或約25至約350。在一個實施方案中，碳微結(jié)構(gòu)中碳層之間的距離為約0.3納米至約1微米。碳微結(jié)構(gòu)可以具有約0.5至約3g/cm³、或約0.1至約2g/cm³的密度。

在碳復(fù)合材料中，碳微結(jié)構(gòu)通過結(jié)合相保持在一起。結(jié)合相包括通過機械互鎖結(jié)合碳微結(jié)構(gòu)的粘合劑。任選地，在粘合劑和碳微結(jié)構(gòu)之間形成界面層。界面層可以包括化學(xué)鍵、固溶體或其組合。當(dāng)存在時，化學(xué)鍵、固溶體或其組合可以加強碳微結(jié)構(gòu)的互鎖。應(yīng)當(dāng)理解，碳微結(jié)構(gòu)可以通過機械互鎖和化學(xué)結(jié)合而保持在一起。例如，可以在一些碳微結(jié)構(gòu)與粘合劑之間形成化學(xué)鍵合、固溶體或其組合，或者對于特定的碳微結(jié)構(gòu)僅在碳微結(jié)構(gòu)的表面上的一部分碳與粘合劑之間形成。對于不形成化學(xué)鍵、固溶體或其組合的碳微結(jié)構(gòu)或碳微結(jié)構(gòu)的一部分，碳微結(jié)構(gòu)可以通過機械互鎖來結(jié)合。結(jié)合相的厚度為約0.1至約100微米或約1至約20微米。結(jié)合相可以形成將碳微結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的連續(xù)或不連續(xù)網(wǎng)絡(luò)。

示例性粘合劑包括金屬、合金或包括至少一種前述物質(zhì)的組合。金屬可以是以下中的至少一種：鋁；銅；鈦；鎳；鎢；鉻；鐵；錳；鋯；鉿；釩；鈮；鉬；錫；鉍；銻；鉛；鎘；或硒。合金包括以下一種或多種：鋁合金；銅合金；鈦合金；鎳合金；鎢合金；鉻合金；鐵合金；錳合金；鋯合金；鉿合金；釩合金；鈮合金；鉬合金；錫合金；鉍合金；銻合金；鉛合金；鎘合金；或硒合金。在一個實施方案中，粘合劑包括以下中的一種或多種：銅；鎳；鉻；鐵；鈦；銅合金；鎳合金；鉻合金；鐵合金；或鈦合金。示例性的合金包括鋼、基于鎳-鉻的合金(例如inconel*)和基于鎳-銅的合金(例如蒙乃爾合金)?；阪?鉻的合金可以含有約40-75％的ni和約10-35％的cr。鎳-鉻基合金還可以含有約1至約15％的鐵。少量的mo、nb、co、mn、cu、a1、ti、si、c、s、p、b或包括前述中的至少一種的組合也可以包括在基于鎳-鉻的合金中。基于鎳-銅的合金主要由鎳(高達約67％)和銅組成。基于鎳-銅的合金還可以含有少量的鐵、錳、碳和硅。這些材料可以呈不同的形狀，例如顆粒、纖維和線。可以使用材料的組合。

用于制造碳復(fù)合材料的粘合劑可以是微米級或納米級。在一個實施方案中，粘合劑的平均粒度為約0.05至約250微米、約0.05至約50微米、約1微米至約40微米、約0.5至約5微米、或約0.1至約3微米。不希望受理論束縛，據(jù)信當(dāng)粘合劑具有在這些范圍內(nèi)的大小時，其均勻地分散在碳微結(jié)構(gòu)中。

當(dāng)存在界面層時，結(jié)合相包括包括粘合劑的粘合劑層和將至少兩個碳微結(jié)構(gòu)中的一個結(jié)合到粘合劑層的界面層。在一個實施方案中，結(jié)合相包括粘合劑層、將碳微結(jié)構(gòu)中的一個結(jié)合到粘合劑層的第一界面層和將另一個微結(jié)構(gòu)結(jié)合到粘合劑層的第二界面層。第一界面層和第二界面層可以具有相同或不同的組成。

界面層包括以下中的一個或多個：c-金屬鍵；c-o金屬鍵；或金屬碳溶液。這些鍵是由碳微結(jié)構(gòu)和粘合劑表面上的碳形成。

在一個實施方案中，界面層包括粘合劑的碳化物。碳化物包括以下中的一種或多種：鋁碳化物；鈦碳化物；鎳碳化物；鎢碳化物；鉻碳化物；鐵碳化物；錳碳化物；鋯碳化物；鉿碳化物；釩碳化物；鈮碳化物或鉬碳化物。這些碳化物是通過使相應(yīng)的金屬或金屬合金粘合劑與碳微結(jié)構(gòu)的碳原子反應(yīng)形成。當(dāng)使用粘合劑材料的組合時，界面層可以包括這些碳化物的組合。碳化物可以是鹽狀碳化物(例如碳化鋁)、共價碳化物、間隙碳化物(例如第4、5和6族過渡金屬的碳化物)或中間過渡金屬碳化物(例如cr、mn、fe、co和ni)。

在另一個實施方案中，界面層包括碳的固溶體(例如石墨)和粘合劑。碳在某些金屬基質(zhì)中或在某些溫度范圍內(nèi)具有溶解性，這可以促進金屬相潤濕和結(jié)合到碳微結(jié)構(gòu)上。通過熱處理，碳在金屬中的高溶解性可以保持在低溫下。這些金屬包括以下中的一種或多種：co；fe；la；mn；ni；或cu。粘合劑層還可以包括固溶體和碳化物的組合。

基于碳復(fù)合材料的總重量，碳復(fù)合材料包括約20至約95重量％、約20至約80重量％、或約50至約80重量％的碳。基于碳復(fù)合材料的總重量，粘合劑的存在量為約5重量％至約75重量％或約20重量％至約50重量％。在碳復(fù)合材料中，碳相對于粘合劑的重量比為約1∶4至約20∶1、或約1∶4至約4∶1或約1∶1至約4∶1。

碳復(fù)合材料可任選地包括填料。示例性填料包括炭黑、云母、粘土、玻璃纖維、陶瓷纖維和陶瓷中空結(jié)構(gòu)。陶瓷材料包括sic、si3n4、sio2、bn等。填料的存在量可以為約0.5至約50重量％、約0.5至約40wt％、約1至約40重量％、或約0.5至約10重量％或約1至約8重量％。

碳復(fù)合材料可以具有任何期望的形狀，包括棒、塊、片、管狀、圓柱形坯料、環(huán)形、粉末、丸?；蚩梢员患庸ぁ⑿纬苫蛞云渌绞接糜谛纬捎杏玫闹破返钠渌问?。這些形式的大小或尺寸沒有特別限制。說明性地，片具有約10μm至約10cm的厚度和約10mm至約2m的寬度。粉末包括平均大小為約10μm至約1cm的顆粒。丸粒包括平均大小為約1cm至約5cm的顆粒。

碳復(fù)合材料可以通過在碳微結(jié)構(gòu)之間的間隙空間中和在碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙中沉積粘合劑以提供填充的組合物并壓縮和加熱填充的組合物來制備。碳復(fù)合材料也可以通過以下來制備：將粘合劑和石墨共混以形成填充的組合物；并且將填充的組合物壓縮和加熱到使得所形成的碳復(fù)合材料包括在碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)基本上不含空隙的碳微結(jié)構(gòu)的程度。

“氣相沉積”過程是指通過氣相在襯底上沉積材料的過程。氣相沉積過程包括物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、原子層沉積、激光氣相沉積和等離子體輔助氣相沉積。粘合劑前體的實例包括三乙基鋁和羰基鎳。可以使用物理沉積、化學(xué)沉積和等離子體輔助氣相沉積的不同變化。示例性沉積方法可以包括等離子體輔助化學(xué)氣相沉積、濺射、離子束沉積、激光燒蝕或熱蒸發(fā)。通過氣相沉積過程，粘合劑可以至少部分地填充碳微結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙。

在一個實施方案中，首先通過冷壓來壓縮填充的組合物以提供生坯。然后壓縮和加熱生坯，從而形成碳復(fù)合材料。在另一個實施方案中，將填充的組合物在室溫下壓制以形成壓實體，然后在大氣壓下加熱壓實體以形成碳復(fù)合材料?；蛘?，可以直接壓縮和加熱填充的組合物以形成碳復(fù)合材料。

在填充的組合物中，基于填充的組合物的總重量，碳(例如石墨)的存在量是約20重量％至約95重量％、約20重量％至約80重量％、或約50重量％至約80重量％?；谔畛涞慕M合物的總重量，粘合劑的存在量為約5重量％至約75重量％或約20重量％至約50重量％。填充的組合物中的石墨可以呈碎片、粉末、小板、薄片等的形式。在一個實施方案中，石墨呈直徑為約50微米至約5,000微米、優(yōu)選約100至約300微米的薄片形式。石墨薄片可以具有約1至約5微米的厚度。填充的組合物的密度為約0.01至約0.05g/cm³、約0.01至約0.04g/cm³、約0.01至約0.03g/cm³或約0.026g/cm³。

如本文所用，冷壓意味著組合的組合物在室溫或高溫下被壓縮，只要粘合劑與石墨不顯著結(jié)合即可。在一個實施方案中，在生坯中，大于約80重量％、大于約85重量％、大于約90重量％、大于約95重量％或大于約99重量％的石墨不結(jié)合。形成生坯的壓力可以為約500psi至約10ksi，并且溫度可為約20℃至約200℃。該階段的還原率，即生坯的體積相對于填充的組合物的體積為約40％至約80％。生坯的密度為約0.1至約5g/cm³、約0.5至約3g/cm³或約0.5至約2g/cm³。

可以在約350℃至約1400℃、特別是約800℃至約1400℃的溫度下加熱生坯，以形成碳復(fù)合材料。在一個實施方案中，溫度約為粘合劑熔點的約±20℃至約±100℃、或粘合劑熔點的約±20℃至約±50℃。在另一個實施方案中，溫度高于粘合劑的熔點，例如比粘合劑的熔點高約20℃至約100℃或約20℃至約50℃。當(dāng)溫度較高時，粘合劑變得粘度較低并且流動更好，并且可能需要較小的壓力以使粘合劑與石墨均勻地共混。然而，如果溫度太高，可能會對儀器造成不利影響。

溫度可以根據(jù)預(yù)定的溫度表或斜坡率施加。加熱方式?jīng)]有特別限制。示例性的加熱方法包括直流(dc)加熱、感應(yīng)加熱、微波加熱和放電等離子體燒結(jié)(sps)。在一個實施方案中，通過直流加熱進行加熱。例如，組合的組合物可以充以電流，其流過組合物，從而非?？斓禺a(chǎn)生熱量。任選地，加熱也可以在惰性氣氛、例如在氬氣或氮氣下進行。在一個實施方案中，在空氣存在下加熱生坯。

加熱可以在約500psi至約30,000psi或約1000psi至約5000psi的壓力下進行。對于含有碳微結(jié)構(gòu)的成形碳復(fù)合材料基本上不含內(nèi)空隙的情況，使用相對較高的壓力，例如約6000psi至約30,000psi。壓力可能是超大氣壓或低于大氣壓。在一個實施方案中，形成制品的理想壓力不是一次全部施加。在裝載生坯后，在室溫或低溫下最初對組合物施加低壓以封閉組合物中的大孔。否則，熔融的粘合劑可能流到模具的表面。一旦溫度達到預(yù)定的最大溫度，就可以施加制造制品所需的理想壓力。溫度和壓力可以保持在預(yù)定的最大溫度和預(yù)定的最大壓力下約5分鐘至約120分鐘。在一個實施方案中，預(yù)定的最大溫度為粘合劑熔點的約±20℃至約±100℃，或粘合劑熔點的約±20℃至約±50℃。

該階段的還原率，即碳復(fù)合材料的體積相對于生坯的體積的體積為約10％至約70％或約20至約40％?？梢酝ㄟ^控制壓縮程度來改變碳復(fù)合材料的密度。該制品可以具有約0.5至約10g/cm³、約1至約8g/cm³、約1至約6g/cm³、約2至約5g/cm³、約3至約5g/cm³、或約2至約4g/cm³的密度。

或者，可以首先在室溫下和約500psi至30,000psi的壓力下壓制填充的組合物以形成壓實體；并且可以在約350℃至約1400℃、特別是約800℃至約1400℃的溫度下進一步加熱壓實體以制備碳復(fù)合材料。在一個實施方案中，溫度約為粘合劑熔點的約±20℃至約±100℃，或粘合劑熔點的約±20℃至約±50℃。在另一個實施方案中，溫度可以比粘合劑的熔點高約20℃至約100℃或約20℃至約50℃。加熱可以在大氣壓下在惰性氣氛存在或不存在的情況下進行。

在另一個實施方案中，碳復(fù)合材料可以直接由組合的組合物制成，而不制備生坯。壓制和加熱可以同時進行。合適的壓力和溫度可以與加熱和壓縮壓坯的上下文中討論的相同。

熱壓是同時施加溫度和壓力的過程。它可以用于碳復(fù)合材料。碳復(fù)合材料可以在模具中制成。所獲得的碳復(fù)合材料可進一步加工或成形以形成棒、塊、管狀、圓柱形坯料或環(huán)形。加工包括使用如銑刀、鋸、車床、路由器、放電加工機等的切割、鋸切、燒蝕、銑削、面板、車床、鏜孔等?；蛘?，通過選擇具有所需形狀的模具，可以將碳復(fù)合材料直接模制成有用的形狀。

也可以通過熱軋制造諸如絲網(wǎng)、紙、條、帶、箔、墊等的片材。在一個實施方案中，可以進一步加熱通過熱軋制成的碳復(fù)合材料片，以使粘合劑有效地將碳微結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。

碳復(fù)合材料丸?？梢酝ㄟ^擠出制成。例如，石墨和微米級或納米級的粘合劑的組合可以首先裝載在容器中。然后將組合通過活塞推入擠出機。擠出溫度可以為約350℃至約1400℃或約800℃至約1400℃。在一個實施方案中，溫度為粘合劑的熔點的約±20℃至約±100℃，或粘合劑熔點的±20℃至約±50℃。在另一個實施方案中，擠出溫度高于粘合劑的熔點，例如比粘合劑的熔點高約20至約50℃。在一個實施方案中，從擠出物獲得線，其可以經(jīng)切割以形成顆粒。在另一個實施方案中，直接從擠出機獲得丸粒。任選地，可以對丸粒應(yīng)用后處理工藝。例如，如果碳微結(jié)構(gòu)在擠出過程中未結(jié)合或未充分結(jié)合，則可以在高于粘合劑的熔融溫度的爐中加熱丸粒，使得粘合劑可以將碳微結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。碳復(fù)合粉末可以通過剪切力(切削力)研磨碳復(fù)合材料(例如實心片)來制成。

碳復(fù)合材料具有許多有利的性質(zhì)，可用于各種應(yīng)用。在特別有利的特征中，通過形成碳復(fù)合材料，大大提高了碳如石墨的機械強度。

除了改善機械強度和高導(dǎo)熱性之外，碳復(fù)合材料在高溫下也具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。碳復(fù)合材料可以具有高的耐熱性，其操作溫度范圍為約-65°f至約1200°f、特別是高達約1100°f、且更具體為約1000°f。

碳復(fù)合材料在高溫下也具有優(yōu)異的耐化學(xué)性。在一個實施方案中，碳復(fù)合材料對水、油、鹽水和酸具有耐化學(xué)性，耐性等級從良好到優(yōu)異。在一個實施方案中，碳復(fù)合材料可以在高溫和高壓下連續(xù)使用，例如約68°f至約1200°f、或約68°f至約1000°f或約68°f至約750°f在潮濕條件下，包括堿性和酸性條件。因此，即使在高達200°f的高溫和高壓(大于大氣壓)下延長時段內(nèi)暴露于化學(xué)試劑(如水、鹽水、烴、酸(如hcl)、溶劑(如甲苯)等)時，碳復(fù)合材料也會抵抗溶脹和性質(zhì)降低。

碳復(fù)合材料是中等硬至超硬，硬度為邵氏a(shorea)中的約50至邵氏d等級中的約75。

碳復(fù)合材料可用于制備用于各種應(yīng)用的制品，包括但不限于電子、原子能、鐵水加工、涂料、航空航天、汽車、油氣和海洋應(yīng)用。因此，在一個實施方案中，制品包括碳復(fù)合材料。碳復(fù)合材料可用于形成制品的全部或一部分。

碳復(fù)合材料具有高導(dǎo)熱性，并且可用于制造放熱或熱交換元件。放熱元件通常用于快速釋放由電子裝置或組件(例如電腦、cpu和功率晶體管)產(chǎn)生的熱量。熱交換元件將熱量從一種介質(zhì)傳遞到另一種介質(zhì)，并用于空間加熱、制冷、空調(diào)發(fā)電廠、化工廠、石油化工廠、煉油廠、天然氣加工、污水處理等。說明性的放熱或熱交換元件包括散熱器、冷卻系統(tǒng)、加熱輻射組件和熱交換器。在一個實施方案中，放熱元件是用于膝上型電腦的散熱器，其在節(jié)省重量的同時保持涼爽。

制品可以是井下元件。說明性制品包括用于井下電機的散熱器和用于井下電子設(shè)備的散熱器。具有管狀設(shè)計的說明性散熱器在圖4(a)和圖4(b)中示出。用于井下電子設(shè)備的說明性散熱器在圖5(a)和圖5(b)中示出。

本文公開的所有范圍包括端點，并且端點彼此獨立地組合。本文所用的后綴“(s)”旨在包括其修飾的術(shù)語的單數(shù)和復(fù)數(shù)，從而包括該術(shù)語中的至少一個(例如，著色劑包括至少一種著色劑)?！盎颉币庵浮昂?或”。“任選”或“任選地”意指隨后描述的事件或情況可發(fā)生或可不發(fā)生，并且說明包括事件發(fā)生的情況以及不發(fā)生的情況。如本文所用，“組合”包括共混物、混合物、合金、反應(yīng)產(chǎn)物等?！捌浣M合”意指“包括一個或多個所列項目和任選地未列出的相似項目的組合”。所有參考文獻通過引用并入本文。

除非本文另有說明或明顯與上下文相矛盾，否則在描述本發(fā)明的上下文中(特別是在所附權(quán)利要求的上下文中)使用術(shù)語“一”(“a”和“an”)和“所述”以及類似的指示物應(yīng)被解釋為涵蓋單數(shù)和復(fù)數(shù)。此外，應(yīng)當(dāng)進一步指出，本文中的術(shù)語“第一”、“第二”等不表示任何順序、數(shù)量或重要性，而是用于將一個要素與另一個要素區(qū)分開。與數(shù)量相關(guān)使用的修飾語“約”包括所述值，并具有由上下文規(guī)定的含義(例如，其包括與特定數(shù)量的測量相關(guān)聯(lián)的誤差程度)。

雖然為了說明的目的已經(jīng)闡述了典型的實施方案，但是上述說明不應(yīng)被認為是對本文的范圍的限制。因此，在不脫離本文的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到各種修改、適應(yīng)和替代。