一种复合导热薄层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种兼顾导热性和高增韧的连续碳纤维叠层增强树脂基结构复合材料的设计和制备技术及其相应的中间体复合导热薄层和最终的复合材料制品，其主要特征在于，利用具有网络结构的低面密度的无纺布、多孔薄膜或织物作为功能载体，附载高导热、纳微米小尺度的碳纳米管、石墨烯、氮化硼微粉、膨胀石墨微粉、金刚石微粉等一种或几种的混合物，制备导热性好且具增韧潜力的复合导热薄层，再利用插层技术，将这种复合导热薄层放置在常规碳纤维叠层复合材料的层间，成型固化，制备得到整体高导热、高韧性的结构复合材料。这种方法操作简单，得到的复合材料不仅韧性大幅度提高，而且层内和层间的热导率都有一定提高，从得到复合材料整体导热性好且高韧性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种复合导热薄层及其制备方法和应用，该项技术包括高导热具增韧作用的导热薄层的制备技术和采用该种导热薄层制备出的整体高导热、高韧性结构复合材料，属于功能复合材料的制备

技术介绍
连续碳纤维增强树脂基叠层复合材料具有高的比强度和比刚度，作为结构材料越来越多地在航空航天和民用领域使用，但由于这种复合材料的自身的结构特征，尽管碳纤维自身在纤维方向有着较高的热导率，但层间的富树脂区具有和多数有机高分子材料相近的很低的热导率，导致这类复合材料在垂直碳纤维的方向具有较低的热导率，并且在层厚方向具有更低的热导率。在涉及到电气电子的领域，如对于高功率密度元器件，由于元器件体积的不断减小对散热提出了更高的要求，此外如飞行器发动机、刹车片等部件也需要材料具有良好的导热性来避免热量局部集中，导致过大的热应力造成结构破坏。传统的复合材料提高热导率的措施多数是集中于热固性树脂里直接添加热导率较高的填料，如专利CN102040761A，这些专利在高分子树脂基体中添加金属、碳材料、导热性较高的陶瓷等，尤其集中于轻质和高导热的碳微米和纳米材料，如在高分子基体中添加石墨粉、石墨片、碳纤维、纳米碳纤维、碳纳米管、石墨烯等。但针对于连续碳纤维复合材料的导热性提高则报道则很少，相关的报道有46th InternationalSAMPE Symposium andExhibition. 2001 !Materials and Processes Odyssey (2):1530-1537,在层间直接添加氮化硼微粉，但不可避免造成抗冲击分层性能下降；Carbon,50 (3) : 1135-1145, 2011在层间加入石墨纳米片纸，但作者并未指出这张纸层间插入的石墨纳米片纸对复合材料层间韧性有所贡献；Carbon，49(8):2817-2833，2010掺入碳纳米管，但单独的碳纳米管的分散性问题是一个难点，且对层合树脂基复合材料尤其是航空级树脂基复合材料增韧作用说法不一。另一方面，连续碳纤维增强树脂基叠层结构复合材料通常对低速冲击敏感，容易形成内部冲击分层损伤，使复合材料的压缩强度急剧降低，因此，叠层结构复合材料的增韧也一直是国内外航空复合材料的重要研究课题。目前，针对复合材料增韧的方法多种多样，其中一种在叠层复合材料层间引入韧性结构的方法受到关注，因其提高复合材料抗冲击分层能力的同时保持了成型的工艺性和其它力学性能，典型的例子是在层间插入独立的高韧性纯热塑性树脂层或者热固性胶层及其发展起来的“离位”增韧技术(参考专利CN101220561，CN101760965A)及在层间置入高韧性纤维的技术等。这种层间引入韧性结构的技术虽然提高了复合材料的韧性，但在一定程度上也增大了碳纤维富树脂层间的间隙，而且这种韧性结构通常具有和层间树脂具有相近的热导率，因此使得本来就较高热阻的层间变得导热性更差。
技术实现思路
本专利技术正是针对上述现有技术存在的两种技术的矛盾，设计提供了一种复合导热3薄层及其制备方法和应用，其目的是制备一种结构-功能一体化的连续碳纤维增强叠层树脂基结构复合材料，该种材料能兼顾导热性以提高复合材料导热性和高增韧以提高其冲击损伤容限。本专利技术的目的是通过以技术措施来实现的本专利技术技术方案首先提出了制备一种作为中间态复合材料的导热-增韧双功能的复合导热薄层，该导热薄层是由低面密度多孔的载体和均匀附载在载体上的导热介质构成；低面密度多孔的载体是多孔的织物、无纺布，载体的厚度5 μ m 80 μ m，载体的面密度为5g/m2 30g/m2之间。导热介质是碳纳米管、石墨烯、氮化硼微粉、膨胀石墨微粉、金刚石微粉、纳米碳纤维一种或几种的混合物。多孔的无纺布是指聚合物无纺布或非聚合物无纺布。聚合物无纺布是指尼龙、芳纶、聚芳醚酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚醚醚酮。非聚合物无纺布是指碳纤维无纺布、碳纳米管无纺布、植物纤维无纺布。本专利技术还提出了所述复合导热薄层的制备方法，该制备方法中导热介质附载到载体上的方法为以下之一⑴将导热介质分散到不溶解载体且不破坏导热介质的溶剂中形成分散液，载体在分散液中浸溃或者将分散液喷涂在载体上，随后干燥；⑵将导热介质分散到不溶解载体且不破坏导热介质的溶剂中形成分散液，将分散液在负压下通过载体，随后干燥；上述分散液中导热介质含量为5mg/mL 100mg/mL。本专利技术技术方案又提出了一种该复合导热薄层的应用，其特征在于将该导热薄层放置在连续碳纤维叠层复合材料的层间，固化成型后，制成具有整体导热性能的复合材料制件。连续碳纤维是T300、T800、T700、CCF300，连续碳纤维的编织方式可以为单向、平纹、斜纹、缎纹。连续碳纤维叠层复合材料的基体树脂可以为环氧树脂、苯并噁嗪树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂。固化成型工艺为热压罐成型、RTM、模压、真空辅助或真空袋成型。本专利技术的优点和特点是以非常简单的方法兼顾了连续纤维叠层复合材料的高韧性、高冲击损伤容限和高导热性，这是本专利技术专利的显著优点；其具体的制备技术分为中间态材料即复合导热薄层的制备和终态材料即最终的闻导热闻朝性复合材料的制备两步，其核心技术在于其导热功能附载的插层用复合导热薄层及其复合技术，这种插层用复合导热薄层的结构特征是两位一体的复合导热薄层基于载体形成的双连续网络的韧化结构以及基于导热介质构成的接触导通的连续化导热结构。本方案利用具有微米尺度的纤维形成连续网络的无纺布或织物作为韧化结构和分散并附载导热介质，且导热介质附载纤维表面，容易在低附载量时就接触导通，因此对韧化结构的增韧作用没有影响。由于按照本专利技术技术设计制备的复合材料的产品状态仍然是常见的叠层预浸料及其层合板状态，因此传统飞机复合材料能够应用的场合中，本专利技术的高导热、高增韧复合材料均可以应用，而不需要做任何特别的改动。本专利技术还有适用面广的优点，可选择多种小尺度导热组分协同增进导热性，可应用于各种低面密度的无纺布、织物等载体形式，可应用于各种成型工艺和树脂体系。附图说明图I为附载片状氮化硼微粉的尼龙无纺布的SEM2为附载碳纳米管的尼龙无纺布的SHM图具体实施例方式下面通过实施例对本专利技术的设计和制备技术做进一步详细说明。实施例I :本专利技术技术方案的实施过程如下(1-1)将碳纳米管或石墨烯分散于乙醇或异丙醇或丙酮或乙二醇形成浓度为5mg/mL或15mg/mL的分散液；(1-2)将厚度为53 μ m、面密度为14g/m2的尼龙无纺布或厚度为25 μ m、面密度为8g/m2的聚醚醚酮无纺布或厚度为75 μ m、面密度为26g/m2的聚酰亚胺无纺布或厚度为15 μ m、面密度为7g/m2的聚醚砜无纺布或厚度为55 μ m、面密度为28g/m2的芳纶无纺布浸入到上述步骤(1-1)中得到的分散液中，拉提出液面并晾干或烘干，掉个头再浸溃两次，得到均匀附载碳纳米管或石墨烯的导热的聚合物无纺布；(1-3)将上述附载得到的导热的聚合物无纺布一一放置于连续碳纤维单向增强的环氧树脂基预浸料的层间进行铺层，碳纤维T300、3K或Τ800、12Κ，环氧树脂5228 (北京航空材料研究院产品)或环氧树脂QY9611 (北京航空制造工程研究所产品)，定型后得到插层附载的增韧-导热一体化的复合材料预制体；(1-4)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合导热薄层，其特征在于：该导热薄层是由低面密度多孔的载体和均匀附载在载体上的导热介质构成；低面密度多孔的载体是多孔的织物、无纺布，载体的厚度5μm～80μm，载体的面密度为5g/m2～30g/m2之间。导热介质是碳纳米管、石墨烯、氮化硼微粉、膨胀石墨微粉、金刚石微粉、纳米碳纤维中的一种或几种的混合物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：益小苏，郭妙才，刘刚，赵文明，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：