[发明专利]一种定向石墨材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种定向石墨材料及其制备方法，包括以下步骤：S1、按中间相沥青含量占比12‑22wt％，热塑性树脂占比4‑5.5wt％，天然石墨占比72‑82wt％的配比，加热搅拌混合均匀，冷却到100‑150℃；S2、步骤S1得到的混合物再加入占比为0.5‑2wt％的氧化石墨烯，搅拌混合均匀冷却至室温，粉碎成混合粉料；S3、将混合粉料热模压成型，再放入高温石墨化炉烧结冷却得到石墨材料。加入聚酰亚胺和氧化石墨烯，利用聚酰亚胺树脂残炭率高、氧化石墨烯含有丰富官能团的特点。通过添加少量的氧化石墨烯为聚酰亚胺树脂、中间相沥青和天然石墨之间提供纳米粒子桥接作用，增加分子界面结合力，进一步改善材料整体的强度和导热性能。

技术领域

本发明属于石墨材料技术领域，涉及一种具有较高机械强度、导热性能良好、结构取向一致的石墨块体材料及其制备方法。

背景技术

随着5G信息技术的发展，高功率电子器件趋向于集成化，显现的散热问题日益突出；另外在航空航天领域中，对耐高温关键结构部件材料的机械性能要求越来越高，因此迫切需要研发更多的新型导热材料。目前使用广泛的铜金属材料面临着很多的挑战，铜材料耐高温性能有限，且不耐腐蚀；银、金材料的热性能优异，但价格昂贵。

耐高温石墨材料具有密度低、抗热冲击性能良好、耐腐蚀、耐高温和热膨胀系数低等性能优势而被广泛应用于火箭、飞机刹车片和高功率电子散热等领域。普通石墨材料的热导率只有100W/m·K，机械强度低，而石墨单晶的理论热导率可达2100W/m·K，因此提升石墨材料的热导率和强度都有很大的空间。

在过去的研究中，对于导热碳基块体材料的研究有三个热点方向：第一种路线是将中间相沥青基碳纤维编制成预制体，再通过沥青或高残炭率树脂的反复浸渍、CVI反复增密等工艺来提高复合材料的体积密度，最终得到高强度、高导热的炭/炭复合材料。此工艺制备得到的块体材料强度高，热性能优异，但此制备工艺对于中间相沥青纤维或基体的品质要求高，复合材料需要进行反复增密导致产品制备周期长，块体材料的热传导方向主要沿纤维轴向。(Chenj,Xiang X,Peng X.Thermal conductivity of unidirectionalcarbon/carbon composites with different carbon matrixes[J].MaterialsDesign,2009,30(4):1413-1416)第二种路线是利用聚酰亚胺塑料薄膜直接叠层后再高温高压石墨化处理，所得石墨块体热导率可达1000W/m·K，但此工艺对石墨化设备性能要求苛刻(Murakami M,Nishiki N,NakamuraK,et al.High-quality andhighly orientedgraphite block frompolycondensation polymer films[J].Carbon,1992,30(2):255-262.)。第三种路线是利用廉价的天然石墨粉碎后得到不同粒径石墨片，再直接与中间相沥青粉末混合热压成型，成型后再通过石墨化处理，该类材料结构呈现三明治状，但石墨块体强度较低(Yuan G M,Li X K,Yi J,et al.Mesophase pitch-based graphite fiber-reinforced acrylonitrile butadiene styrene resin composites with high thermalconductivity[J].Carbon,2015,95:1007-1019)。

因此，这些工艺过程制备的石墨材料或是工艺条件苛刻、成本高，或是存在导热性能好，但强度低等劣势。

发明内容

本发明提供了一种定向石墨材料及其制备方法，制备工艺简单、成本低，石墨材料制品在保证具有良好导热性能的同时，兼具高强度，且石墨材料的外观尺寸可控。

本发明的一种定向石墨材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、按中间相沥青含量占比12-22wt％，热塑性树脂占比4-5.5wt％，天然石墨占比72-82wt％的配比，加热搅拌混合均匀，冷却到100-150℃；