一种表面改性三维网络碳纤维增强复合材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种表面改性三维网络碳纤维增强复合材料及制备方法，根据需求编制不同孔径的三维碳纤维骨架，经表面预处理后通过化学气相沉积金刚石、碳纳米管、石墨烯，然后与基体材料复合，基体材料为金属或聚合物，获得带有三维网状骨架结构的碳纤维增强金属基或聚合物基复合材料。经表面改性的三维网状碳纤维在复合材料中形成了三维连续导热通道，极大地提高了复合材料的导热性能，与此同时，碳纤维在基体材料中的空间分布也能起到提高复合材料的力学性能，降低其密度和热膨胀系数的功能。同时还可通过加入零维颗粒增强体调控其热膨胀系数及力学、热学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了一种表面改性三维网络碳纤维增强复合材料及制备方法，属于复合材料制备

技术介绍
国际竞争的激烈化演变，不断催生着科技的迅猛发展，微电子技术和制导技术自然成为了国与国之间争相发展的重中之重。各类电子设备集成程度越来越高，能量密度越来越大，产生的热量越来越多，为确保设备稳定工作，需要对其进行有效的热管理。同时对材料的高强度，低密度提出了更高的要求。沥青基碳纤维以其密度小、质量轻、高抗拉强度、高热导、导电性能和极低的热膨胀系数引起了科研工作者的注意。CN105110809A提供一种石墨烯改性高热导率三维炭/炭复合材料的制备方法，以氧化石墨烯和PAN炭布为原料，通过浸渍的方法在碳纤维表面形成氧化石墨烯膜；在高温、氢气气氛中将氧化石墨烯膜还原成石墨烯，随后进行CVI致密化和石墨化处理，得到石墨烯改性的高热导率三维炭/炭复合材料，能够提高三维炭/炭复合材料的热导率和弯曲强度，实现三维高导热炭/炭复合材料的大尺寸、规模化制备。但由于浸渍法制备石墨烯膜存在均匀性较差、易剥离、覆盖量较少等特性，使得该材料的应用范围受到了限制。金属基复合材料以金属或合金为基体，以高热导率或低膨胀系数的第二相为增强体，充分发挥各自组元的优良性能，金属基复合材料因其良好的综合性能，成为电子封装材料的研究热点。碳纤维增强金属基复合材料可提高金属的比强度和比模量，减少金属的热膨胀系数。用于复合材料的金属常选较轻的金属、合金或金属间化合物，主要是铝、铜、钛、镁，它们的合金和金属间化合物。CN101713056A提出一种金属基三维网状碳纤维复合材料及其制造方法，该复合材料中碳纤维为三维网状碳纤维结构体，该三维网状碳纤维结构体是由多层碳纳米管构成，将三维网络状碳纤维结构体、粘结剂以及分散剂按比例混合并搅拌、干燥、压缩成型、硬化处理、高温烧结，形成含有碳纤维结构体的预成型体，将熔化的烧结金属(硅、镁、铜以及镍等组合中的铝合金)浸渍在含有碳纤维结构体的预成型体中，固化即形成机械、导热、热膨胀性能均优异的金属基碳纤维复合材料。但由于碳纤维与金属基体之间易发生电化学反应，而且碳纤维与金属基体两者的电极电位差别较大，在湿度大的环境下易产生原电池腐蚀，因而材料容易失效。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之不足而提供一种热导率高、热膨胀系数低、轻质的复合材料及制备方法。本专利技术一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，所述的复合材料包括基体材料、三维网状碳纤维增强体，其中所述基体材料包括金属材料或聚合物材料。本专利技术一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，所述金属基体材料选自金属铜、铝中的一种或铜基合金、铝基合金中的一种；所述铜基合金、铝基合金中，铜或铝的含量大于等于50％；聚合物基体为热塑性聚合物或热固性聚合物；所述热塑性聚合物选自聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、乙二醇酯、聚对苯二甲酸、聚甲醛、聚酰胺、聚砜中的一种；所述热固性聚合物选自环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、氨基树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、硅橡胶、发泡聚苯乙烯、聚氨酯中的一种。本专利技术一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，三维网状碳纤维增强体的孔径20μm-5mm，孔隙率为20-95％，碳纤维直径为3-500μm。本专利技术一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，在三维网状碳纤维增强体表面直接沉积高导热层或表面改性后沉积高导热层。本专利技术一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，三维网状碳纤维增强体表面改性是在碳纤维表面沉积一层金属层，所述金属层选自镍、铜、钨、钼、钛、银、铬中的一种或复合，所述金属层采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法进行沉积。本专利技术一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，沉积的高导热层选自金刚石、石墨烯、碳纳米管、石墨烯/金刚石、碳纳米管/金刚石、石墨烯/碳纳米管、金刚石/石墨烯/碳纳米管中的一种，高导热层厚度为5-200μm。本专利技术一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，采用CVD技术沉积高导热层，具体选自CVD技术中的热丝辅助法、微波等离子增强法、直流等离子体喷射法、电子回旋共振法、火焰燃烧法、直流放电法、低压射频法、常压射频法中的至少一种。本专利技术一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，复合材料的基体材料中还包含高导热颗粒。本专利技术一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，所述的高导热颗粒选自金刚石、石墨烯、碳纳米管、石墨烯包覆金刚石微球、碳纳米管包覆金刚石微球、碳化硅、碳化硼、氮化铝、氮化硼中的至少一种，所述的石墨烯包覆金刚石微球和碳纳米管包覆金刚石微球均采用化学气相沉积获得。本专利技术一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，所述复合材料包括下述组分，按体积百分含量组成：基体材料20-80％，三维网状碳纤维增强体10-70％，高导热颗粒0％-30％，各组分体积百分之和为100％。本专利技术一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料的制备方法，包括下述步骤：第一步：将碳纤维编织三维网状，清洗、烘干；第二步：采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在碳纤维表面沉积镍、铜、钨、钼、钛、银、铬中的一种或复合金属层；第三步：将三维网状碳纤维浸泡于纳米金刚石粉或石墨烯粉或碳纳米管悬浊液中进行超声震荡种植籽晶预处理；第四步：采用化学气相沉积技术在三维网状碳纤维表面沉积金刚石、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种复合的高导热层，得到三维网络碳纤维增强体；第五步：将三维网络碳纤维增强体、高导热颗粒与金属基体进行复合，复合采用粉末冶金烧结技术或无压熔渗、气体熔渗、铸造中的一种方法；所述粉末冶金烧结技术选自冷压烧结、热压烧结、SPS烧结、真空烧结、气氛烧结中的一种；或将三维网络碳纤维增强体、高导热颗粒与聚合物基体进行复合，复合采用浸渍固化成型、注射成型、压制成型、注塑成型、滚塑成型、挤塑成型、层压成型、流延成型中的一种方法。本专利技术一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料的制备方法，基体材料为金属时，在高导热层表面设置改性膜后再与基体复合，改性膜厚度为5nm-2μm；改性膜选自钨膜、钼膜、钛膜、镍膜、铬膜中的至少一种，或选自TiC、WC、Cr7C3，NiC、Mo2C中的至少一种。本专利技术一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料的制备方法，第四步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，其特征在于：所述的复合材料包括基体材料、三维网状碳纤维增强体，其中所述基体材料包括金属材料或聚合物材料。

【技术特征摘要】
1.一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，其特征在于：所述的复
合材料包括基体材料、三维网状碳纤维增强体，其中所述基体材料包括金属材
料或聚合物材料。
2.根据权利要求1所述的一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，其特
征在于：所述金属基体材料选自金属铜、铝中的一种或铜基合金、铝基合金中的
一种；所述铜基合金、铝基合金中，铜或铝的含量大于等于50％；聚合物基体为
热塑性聚合物或热固性聚合物；所述热塑性聚合物选自聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙
烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、乙二醇酯、
聚对苯二甲酸、聚甲醛、聚酰胺、聚砜中的一种；所述热固性聚合物选自环氧树
脂、酚醛树脂、脲醛树脂、氨基树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅
树脂、硅橡胶、发泡聚苯乙烯、聚氨酯中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，其特
征在于：三维网状碳纤维增强体的孔径20μm-5mm，孔隙率为20-95％，碳纤维直
径为3-500μm。
4.根据权利要求3所述的一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，其特
征在于：在三维网状碳纤维增强体表面直接沉积高导热层或表面改性后沉积高导
热层。
5.根据权利要求4所述的一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，其特
征在于：三维网状碳纤维增强体表面改性是在碳纤维表面沉积一层金属层，所述
金属层选自镍、铜、钨、钼、钛、银、铬中的一种或复合金属层，所述金属层采
用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法
进行沉积。
6.根据权利要求4或5所述的一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，
其特征在于：沉积的高导热层选自金刚石、石墨烯、碳纳米管、石墨烯/金刚石、
碳纳米管/金刚石、石墨烯/碳纳米管、金刚石/石墨烯/碳纳米管中的一种，高导

\t热层厚度为5-200μm。
7.根据权利要求6所述的一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，其特
征在于：采用CVD技术沉积高导热层，具体选自CVD技术中的热丝辅助法、微
波等离子增强法、直流等离子体喷射法、电子回旋共振法、火焰燃烧法、直流放
电法、低压射频法、常压射频法中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，其特
征在于：复合材料的基体材料中还包括高导热颗粒。
9.根据权利要求8所述的一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，其特
征在于：所述的高导热颗粒选自金刚石、石墨烯、碳纳米管、石墨烯包覆金刚石
微球、碳纳米管包覆金刚石微球、碳化硅、碳化硼、氮化铝、氮化硼中的至少一
种，所述的石墨烯包覆金刚石微球和碳纳米管包覆金刚石微球均采用化学气相沉
积获得。
10.根据权利要求9所述的一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料，其
特征在于：所述复合材料包括下述组分，按体积百分含量组成：基体材料
20-80％，三维网状碳纤维增强体10-70％，高导热颗粒0-30％，各组分体积百分
之和为100％。
11.根据权利要求10所述的一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料的制

【专利技术属性】
技术研发人员：周科朝，魏秋平，马莉，余志明，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43