一種石墨烯和碳纖維復(fù)合熱界面材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及碳復(fù)合材料領(lǐng)域，具體地說涉及一種石墨烯和碳纖維復(fù)合熱界面材料 的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片 狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨 材料。
[0003] 石墨烯自2004年被發(fā)現(xiàn)以來就作為一種新型碳材料而備受關(guān)注。它是一種完全由 sp2雜化的碳原子構(gòu)成的厚度僅為單原子層或數(shù)個單原子層的準二維晶體材料，具有高透 光性和導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、高比表面積、高強度及柔韌性等優(yōu)異的性能。由于石墨烯泡沫骨架 本身具有優(yōu)異的導(dǎo)熱能力，其熱導(dǎo)率高達5000W/(m.K)，是銅的10倍，此外石墨烯還具有高 達2600m2/g的超高比表面積和100倍于鋼的超高強度，且具有很好的柔韌性和伸展性。因 此，理論上石墨烯是一種理想的輕質(zhì)、高效熱管理材料。
[0004] 相比于傳統(tǒng)的散熱金屬材料，采用石墨烯和碳纖維制備的高導(dǎo)熱C/C復(fù)合材料因 具有優(yōu)異的低密度、高導(dǎo)熱、低熱脹系數(shù)和獨有的高溫高強度等性能而成為目前最佳的高 導(dǎo)熱候選材料。
[0005] 目前制備石墨烯和碳纖維復(fù)合材料的方法主要有以下三大類： 一類是將石墨烯加入到紡絲原液中，再經(jīng)各種紡絲工藝制備石墨烯摻雜的碳纖維，如 中國專利號"201110450967.6"在2012年7月4日公開了一種石墨烯改性的聚丙烯腈基碳纖 維的制備方法，但這類方法的主要問題是石墨烯和碳纖維的上面官能團較少，導(dǎo)致石墨烯 與碳纖維的分散和結(jié)合是一大難點。
[0006] 第二類是將制備好的碳纖維采用涂覆和等離子方法處理將石墨烯同碳纖維結(jié)合， 如中國專利號"2〇〇91〇〇67708.8"在2009年6月24日公開了一種石墨烯與碳纖維復(fù)合材料， 但采用等離子體的處理方法較為繁瑣且需要特殊的設(shè)備，因此這類方法存在著制備難度大 和成本較高的缺陷。
[0007] 第三類是采用電泳的方法使石墨烯沉積到碳纖維表面，如中國專利號 "201310582391.8"在2014年3月5日公開了一種石墨烯/碳纖維復(fù)合材料的制備方法，該種 方法的主要問題是由于石墨烯上基本沒有官能團，導(dǎo)致在石墨烯很難穩(wěn)定帶上帶電的離 子。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供一種石墨烯和碳纖維復(fù) 合熱界面材料的制備方法，本發(fā)明能夠解決以下技術(shù)問題，一是簡化目前的生產(chǎn)工藝，并降 低復(fù)合熱界面材料的制備成本;二是能使石墨烯在復(fù)合熱界面材料中形成三維的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)，進而達到提高產(chǎn)品導(dǎo)熱系數(shù)的目的。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下： 一種石墨烯和碳纖維復(fù)合熱界面材料的制備方法，其特征在于:將石墨烯材料鋪設(shè)在 碳纖維材料上，然后經(jīng)壓片得到石墨烯一碳纖維一石墨烯的夾層材料，再對夾層材料進行 輥壓，即可得到復(fù)合熱界面材料。
[0010] 所述石墨稀材料為石墨稀粉末，所述碳纖維材料為碳纖維表面毯或碳纖維布，制 備夾層材料時，先將石墨烯粉末均勻鋪設(shè)在碳纖維材料的上表面，鋪平后采用擠壓的方式 使石墨烯粉末粘附在碳纖維材料的上表面，然后放入平板硫化機中對碳纖維材料的上表面 進行壓片；同理，再采用同樣的方式在碳纖維材料的下表面上均勻鋪設(shè)相同質(zhì)量的石墨烯 粉末，然后放入平板硫化機中對碳纖維材料的下表面進行壓片，壓片完成后即得到石墨 烯一碳纖維一石墨烯的夾層材料。
[0011] 所述的夾層材料在輥壓機中進行輥壓，輥壓時，在夾層材料的上下兩面鋪設(shè)有保 護層。
[0012] 所述石墨烯材料為石墨烯膜層，所述碳纖維材料為碳纖維表面氈或碳纖維布，制 備復(fù)合熱界面材料時，先按照石墨烯膜層、碳纖維材料、石墨烯膜層的順序放入平板硫化機 中進行壓片，得到石墨烯一碳纖維一石墨烯的夾層材料，然后再將夾層材料放入輥壓機中 輥壓，輥壓后即得到復(fù)合熱界面材料。
[0013] 所述石墨烯膜層通過平板硫化機對均勻鋪設(shè)有石墨烯粉末的保護層經(jīng)壓片而成。 [0014]所述石墨稀膜層的厚度為0.001-10mm。
[0015] 所述平板硫化機的壓力為0.1-lOOMPa，平板硫化機每次壓片的時間為1-50min。 [001?]所述碳纖維材料的表面上，每平方米表面內(nèi)的石墨稀粉末量為1 一400g。
[0017]所述石墨稀粉末的層數(shù)為1一50層，所述復(fù)合熱界面材料的厚度為0.001-10mm。
[0018] 所述保護層為離型膜、鋁箱或硫酸紙。
[0019] 采用本發(fā)明的優(yōu)點在于： 一、本發(fā)明中的碳纖維材料(碳纖維表面氈或碳纖維布)本身具有各異向性和導(dǎo)熱性 能，可以使熱量從一個面到另外一個面。本發(fā)明通過擠壓與輥壓的方式使石墨烯進入到碳 纖維材料本身的孔隙中，形成石墨烯一碳纖維一石墨烯的夾層結(jié)構(gòu)，石墨烯被碳纖維材料 切割成不同的單元結(jié)構(gòu)，從而能夠形成一個具有三維網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的復(fù)合熱界面材料。其 中，在石墨烯和碳纖維的復(fù)合熱界面材料中，三維網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的復(fù)合熱界面材料在縱向 上具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)，而均勻鋪設(shè)在碳纖維材料表面的石墨烯又使復(fù)合熱界面材料在橫 向平面上具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)，因此，由石墨烯和碳纖維制備的復(fù)合熱界面材料無論是在 縱向上，還是橫向平面上都具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)。另外，本發(fā)明通過擠壓與輥壓的方式完成 復(fù)合熱界面材料的制備，具有生產(chǎn)工藝簡單、制造成本低和產(chǎn)品導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點。
[0020] 二、本發(fā)明在輥壓時，不論是在形成石墨烯一碳纖維一石墨烯的夾層結(jié)構(gòu)之后鋪 設(shè)保護層，還是在形成石墨烯一碳纖維一石墨烯的夾層結(jié)構(gòu)之前鋪設(shè)保護層，均是為了防 止輥壓設(shè)備對復(fù)合熱界面材料造成污染或防止熱界面材料粘在輥上，從而對產(chǎn)品造成破壞 以及其它影響，其目的是為了提高熱界面材料的質(zhì)量。
[0021] 三、本發(fā)明中，熱界面材料主要用在發(fā)熱源和散熱器之間，熱界面材料的厚度越 薄，熱量傳輸?shù)木嚯x也就越短，其導(dǎo)熱效果也就越好。因此，將石墨烯膜層的厚度設(shè)置為 0.001一1〇_，有利于提高熱界面材料的導(dǎo)熱效果。
[0022] 四、本發(fā)明中，夾層材料通過平板硫化機在0.1-lOOMPa的壓力下壓制1一50min而 形成，這樣的壓制方式有利于提高夾層材料的均勻性，即使得壓制后的夾層材料的均勻性 更好。
[0023] 五、本發(fā)明中，在碳纖維材料的表面上，每平方米表面內(nèi)鋪設(shè)的石墨烯粉末量為 1一400g，該設(shè)置方式使得石墨烯能夠均勻分布到碳纖維表面上，從而有利于提高最終產(chǎn)品 的質(zhì)量。
[0024] 六、本發(fā)明采用離型膜、鋁箱或硫酸紙作為保護層，具有保護效果好、成本低廉和 便于與復(fù)合熱界面材料分離的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明中碳纖維表面氈的SEM圖； 圖2為本發(fā)明中復(fù)合熱界面材料的SEM圖。
【具體實施方式】
[0026] 實施例1 一種石墨烯和碳纖維復(fù)合熱界面材料的制備方法，選取碳纖維表面氈作為碳纖維材 料，選取石墨烯粉末作為石墨烯材料。材料選取完成后，先將石墨烯粉末均勻鋪設(shè)在碳纖維 表面氈的上表面，鋪平后采用一塊薄板輕壓平鋪在碳纖維表面氈上表面的石墨烯粉末，使 石墨烯粉末粘附在碳纖維表面氈上，然后將碳纖維表面氈放入平板硫化機中，并在〇 .IMPa 的壓力下對碳纖維表面氈的上表面進行壓片lmin。同理，再采用同樣的方式在碳纖維表面 氈的下表面上均勻鋪設(shè)相同質(zhì)量的石墨烯粉末，然后在相同的條件下在平板硫化機中對碳 纖維表面氈的下表面進行壓片，壓片完成后即得到石墨烯一碳纖維一石墨烯的夾層材料。 得到夾層材料后，先在夾層材料的上下表面鋪設(shè)由離型膜制成的保護層，再將夾層材料放 入輥壓機中輥壓至0.001mm的厚度，撕掉離型膜即可得到復(fù)合熱界面材料。其中，所述石墨 烯粉末的層數(shù)為1層，所述碳纖維表面氈上，每平方米表面內(nèi)的石墨烯粉末量為lg。
[0027] 實施例2 一種石墨烯和碳纖維復(fù)合熱界面材料的制備方法，選取碳纖維表面氈作為碳纖維材 料，選取石墨烯粉末作為石墨烯材料。材料選取完成后，先將石墨烯粉末均勻鋪設(shè)在碳纖維 表面氈的上表面，鋪平后采用一塊薄板輕壓平鋪在碳纖維表面氈上表面的石墨烯粉末，使 石墨烯粉末粘附在碳纖維表面氈上，然后將碳纖維表面氈放入平板硫化機中，并在lOOMPa 的壓力下對碳纖維表面氈的上表面進行壓片50min。同理，再采用同樣的方式在碳纖維表面 氈的下表面上均勻鋪設(shè)相同質(zhì)量的石墨烯粉末，然后在相同的條件下在平板硫化機中對碳 纖維表面氈的下表面進行壓片，壓片完成后即得到石墨烯一碳纖維一石墨烯的夾層材料。 得到夾層材料后，先在夾層材料的上下表面鋪設(shè)由鋁箱制成的保護層，再將夾層材料放入 輥壓機中輥壓至1〇_的厚度，撕掉鋁箱即可得到復(fù)合熱界面材料。其中，所述石墨烯