一種導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料因其具有高強度、高模量和低成本等優(yōu)點，在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其中T300、T700和M40J是最常見的碳纖維類型。試驗測得準(zhǔn)各向同性Τ700/環(huán)氧復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)只有3.6ff/(m.K)。這極大地限制了其在筆記本電腦、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)等高端散熱領(lǐng)域的使用。在這些高端散熱領(lǐng)域，人們期望碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱能力可以達到鋁合金的水平，即導(dǎo)熱系數(shù)達到120W/(m.K)。
[0003]為了解決這一問題，美國聯(lián)合碳化物公司于1972年成功合成中間相瀝青基碳纖維(MPCF)，推動了導(dǎo)熱型CFRP研宄和應(yīng)用。SiIverman等制備的MPCF (Kl 100)/環(huán)氧復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達到595W/(m.K)。2002年，Chen和Ting等制備的VGCF/環(huán)氧復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)高達695W/(m -K)。John等制備了的K13D2U/EX1515復(fù)合材料縱向?qū)嵯禂?shù)高達420.5ff/(m.K)，超過了銅的導(dǎo)熱系數(shù)(385W/(m.K))。但由于中間相瀝青基碳纖維制備工藝復(fù)雜，因而成本較高，難以廣泛應(yīng)用；且這種材料較脆，強度較低；另外，在中國幾乎買不到這種材料。
[0004]在散熱領(lǐng)域，復(fù)合材料的面外導(dǎo)熱性能與面內(nèi)導(dǎo)熱性能一樣重要，由于樹脂基體的導(dǎo)熱系數(shù)很低(只有0.2-0.4ff/(m.K))，所以復(fù)合材料面外導(dǎo)熱性能也較差，只有
0.6-1.2ff/(m.K)，這一缺點極大地限制其在衛(wèi)星和高端電子設(shè)備等中的應(yīng)用。
[0005]國內(nèi)外學(xué)者普遍采用改性纖維、添加填料改性樹脂和三維編織等方式提高CFRP的面外導(dǎo)熱系數(shù)。Liang采用化學(xué)氣相沉積的方法直接在碳纖維上生長出了納米纖維，使得復(fù)合材料面外導(dǎo)熱系數(shù)提升了 33%。但是這種方法導(dǎo)致纖維在復(fù)合材料內(nèi)的體積含量普遍不高，限制了纖維的增強能力，另外，這種方法使得復(fù)合材料的制備工藝復(fù)雜且成本很高。第二種方法是改性樹脂，主要是在樹脂基體中添加各種填料，再與碳纖維復(fù)合制備復(fù)合材料，Kim發(fā)現(xiàn)在向基體中加入1wt %的碳納米管后，樹脂基體的導(dǎo)熱系數(shù)從0.29W/ (m -K)提升至1.07W/ (m.K)。但這種方法最大的缺點是這種改性方式使得樹脂基體的粘度變大，這導(dǎo)致了填料分散性以及與基體的結(jié)合性較差。第三種方法是三維編織法，2008年，Sharp利用MPCF (YS80，5.5%體積分數(shù))三維編織的方法將T700增強聚合物基復(fù)合材料的面外導(dǎo)熱系數(shù)提高了 27倍，達到21.93ff/(m -K)。這種方法成效較快，但是其復(fù)雜的制備工藝和高導(dǎo)熱碳纖維的使用致使其成本較高，難于批量生產(chǎn)，難以應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有制備方法成本高以及得到的聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)熱性差的問題，而提供了一種導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料及其制備方法。
[0007]本發(fā)明的一種導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料由帶通孔的復(fù)合材料板、填充在帶通孔的復(fù)合材料板的通孔中的填充材料和位于帶通孔的復(fù)合材料板上、下表面的膜材料層組成；
[0008]所述的帶通孔的復(fù)合材料板的材料為聚合物基復(fù)合材料；
[0009]所述的填充材料的形狀為圓柱形或類圓柱形，所述的填充材料為導(dǎo)熱系數(shù)為200W/ (m.K)?1000W/ (m.K)的材料，所述的填充材料的厚度大于帶通孔的復(fù)合材料板的厚度；
[0010]所述的膜材料層的材質(zhì)為鋁箔、銅箔或石墨膜；
[0011]所述的帶通孔的復(fù)合材料板與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.5?0.99):1 ；
[0012]所述的填充材料與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.01?0.1):1 ；
[0013]所述的膜材料層與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.01?0.5):1。
[0014]本發(fā)明的一種導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進行:
[0015]一、將聚合物基復(fù)合材料鋪設(shè)成復(fù)合材料板，然后利用針輥模具在復(fù)合材料板上打上通孔，得到帶通孔的復(fù)合材料板；
[0016]二、將填充材料填充至帶通孔的復(fù)合材料板的通孔內(nèi)，得到填充后的復(fù)合材料板；
[0017]所述的填充材料的形狀為圓柱形或類圓柱形，所述的填充材料為導(dǎo)熱系數(shù)為200W/ (m.K)?1000W/ (m.K)的材料，所述的填充材料的厚度大于帶通孔的復(fù)合材料板的厚度；
[0018]三、將膜材料層組裝在步驟二得到的填充后的復(fù)合材料板上、下表面，得到預(yù)固化板，所述的膜材料層的材質(zhì)為鋁箔、銅箔或石墨膜，當(dāng)膜材料層為鋁箔時，先采用磷酸陽極化對膜材料層的表面進行改性處理，然后再進行組裝，當(dāng)膜材料層為銅箔時，先采用表面粗化和鈍化對膜材料層的表面進行改性處理，然后再進行組裝；
[0019]四、先采用丙酮對模具內(nèi)表面進行清潔，然后再涂刷脫膜劑，將步驟三得到的預(yù)固化板放入模具，再將模具放在熱壓機上以4°C /min?6°C /min的升溫速度由室溫升溫至溫度為80?90°C，然后在溫度為80?90°C的條件下保溫0.4h?0.6h，再施加機械壓力
0.3MPa?0.5MPa，擠出預(yù)固化板中氣泡和多余樹脂后，將溫度由溫度為80?90°C升溫至溫度為120?130°C，在壓力為0.3MPa?0.5MPa和溫度為120?130°C的條件下保溫保壓
1.5h?2.5h ;冷卻至室溫后脫模，得到導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料；
[0020]步驟一中所述的復(fù)合材料板與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.5?0.99):1 ；
[0021]步驟二中所述的填充材料與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.01?0.1):I ;
[0022]步驟三中所述的膜材料層與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.01?0.5):1o
[0023]本發(fā)明的一種導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料由帶通孔的復(fù)合材料板、填充在帶通孔的復(fù)合材料板的通孔中的填充材料、位于帶通孔的復(fù)合材料板上、下表面的膜材料層以及用于粘接膜材料和帶通孔的復(fù)合材料板的膠粘劑層組成；
[0024]所述的帶通孔的復(fù)合材料板的材料為聚合物基復(fù)合材料；
[0025]所述的填充材料的形狀為圓柱形或類圓柱形，所述的填充材料為導(dǎo)熱系數(shù)為200W/ (m.K)?1000W/ (m.K)的材料，所述的填充材料的厚度大于帶通孔的復(fù)合材料板的厚度；
[0026]所述的膜材料層的材質(zhì)為鋁箔、銅箔或石墨膜；
[0027]所述的膠粘劑層為丙烯酸酯膠粘劑層；
[0028]所述的復(fù)合材料板與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.5?0.99):1 ;
[0029]所述的填充材料與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.01?0.1):1 ；
[0030]所述的膜材料層與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.01?0.5):1 ；
[0031]所述的膠粘劑層與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.01?0.05):1。
[0032]本發(fā)明的一種導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進行:
[0033]一、將聚合物基復(fù)合材料鋪設(shè)成復(fù)合材料板，然后利用針輥模具在復(fù)合材料板上打上通孔，得到帶通孔的復(fù)合材料板；
[0034]二、將填充材料填充至帶通孔的復(fù)合材料板的通孔內(nèi)，得到預(yù)固化板；
[0035]所述的填充材料的形狀為圓柱形或類圓柱形，所述的填充材料為導(dǎo)熱系數(shù)為200W/ (m.K)?1000W/ (m.K)的材料，所述的填充材料的厚度大于帶通孔的復(fù)合材料板的厚度；
[0036]三、先采用丙酮對模具內(nèi)表面進行清潔，然后再涂刷脫膜劑，將步驟二得到的預(yù)固化板放入模具，再將模具放在熱壓機上以5°C /min的升溫速度由室溫升溫至溫度為80?90 °C，然后在溫度為80?90 °C的條件下保溫0.4h?0.6h，再施加機械壓力0.3MPa?0.5MPa，擠出預(yù)固化板中氣泡和多余樹脂后，再將溫度由溫度為80?90°C升溫至溫度為120?130°C，在壓力為0.3MPa?0.5MPa和溫度為120?130°C的條件下保溫保壓1.5h?2.5h ;冷卻至室溫后脫模，得到復(fù)合板；
[0037]四、采用丙酮去除步驟三中得到的復(fù)合板表面的油污，然后用320目?2000目的砂紙去除復(fù)合板表面的多余樹脂層，再用丙酮去除復(fù)合板表面的灰塵，最后采用化學(xué)方法進一步去除油污和雜物，得到處理干凈的復(fù)合板；
[0038]五、將步驟四得到的處理干凈的復(fù)合板上、下表面各貼覆一層膠粘劑層，再在兩個膠粘劑層的表面鋪設(shè)膜材料層，室溫下加壓至壓力為0.3MPa?0.5MPa，得到導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料；
[0039]所述的膜材料層的材質(zhì)為鋁箔、銅箔或石墨膜；
[0040]所述的膠粘劑層為丙烯酸酯膠粘劑層；
[0041]步驟一中所述的復(fù)合材料板與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.5?0.99):1 ；
[0042]步驟二中所述的填充材料與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.01?0.1):I ;
[0043]步驟五所述的膜材料層與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.01?0.5):1 ;
[0044]步驟五所述的膠粘劑層與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.01?0.05):
1
[0045]本發(fā)明的一種導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進行:
[0046]一、將聚合物基復(fù)合材料鋪設(shè)成復(fù)合材料板，然后利用針輥模具在復(fù)合材料板上打上通孔，得到帶通孔的復(fù)合材料板；
[0047]二、將填充材料填充至帶通孔的復(fù)合材料板的通孔內(nèi)，得到預(yù)固化板；
[0048]所述的填充材料的形狀為圓柱形或類圓柱形，所述的填充材料為導(dǎo)熱系數(shù)為200W/ (m.K)?1000W/ (m.K)的材料，所述的填充材料的厚度大于帶通孔的復(fù)合材料板的厚度；
[0049]三、先采用丙酮對模具內(nèi)表面進行清潔，然后再涂刷脫膜劑，將步驟二得到的預(yù)固化板放入模具，再將模具放在熱壓機上以5°C /min的升溫速度由室溫升溫至溫度為80?90 °C，然后在溫度為80?90 °C的條件下保溫0.4h?0.6h，再施加機械壓力0.3MPa?0.5MPa，擠出預(yù)固化板中氣泡和多余樹脂后，再將溫度由溫度為80?90°C升溫至溫度為120?130°C，在壓力為0.3MPa?0.5MPa和溫度為120?130°C的條件下保溫保壓1.5h?2.5h ;冷卻至室溫后脫模，得到復(fù)合板；
[0050]四、采用丙酮去除步驟三中得到的復(fù)合板表面的油污，然后用320目?2000目的砂紙去除復(fù)合板表面的多余樹脂層，再用丙酮去除復(fù)合板表面的灰塵，最后采用化學(xué)方法進一步去除油污和雜物，得到處理干凈的復(fù)合板；
[0051]五、采用物理鍍銅或電化學(xué)鍍銅的方式將步驟四得到的處理干凈的復(fù)合板上下表面各鍍上一膜材料層，然后在溫度為45?55°C的條件下烘干，得到導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料；
[0052]所述的膜材料層的材質(zhì)為純銅；
[0053]步驟一中所述的復(fù)合材料板與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.5?0.99):1 ；
[0054]步驟二中所述的填充材料與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.01?0.1):I ;
[0055]步驟五所述的膜材料層與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.01?0.5):1。
[0056]本發(fā)明的一種導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料由帶通孔的復(fù)合材料板、填充在帶通孔的復(fù)合材料板的通孔中的填充材料和位于帶通孔的復(fù)合材料板上、下表面的膜材料層組成；
[0057]所述的帶通孔的復(fù)合材料板的材料為聚合物基復(fù)合材料；
[0058]所述的填充材料的形狀為圓柱形或類圓柱形，所述的填充材料為導(dǎo)熱系數(shù)為200W/ (m.K)?1000W/ (m.K)的材料，所述的填充材料的厚度大于帶通孔的復(fù)合材料板的厚度；
[0059]所述的膜材料層的材質(zhì)為純銅；
[0060]所述的帶通孔的復(fù)合材料板與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.5?0.99):1 ；
[0061]所述的填充材料與導(dǎo)熱型聚合物基復(fù)合材料的體積比為(0.01?0.1):1 ；