科创中国
三维传热通道复合材料及其制备技术
成果类型：: 新技术
发布时间: 2022-08-12 10:56:22
科技成果产业化落地方案
方案提交机构：“科创中国”智能技术体系化应用专业科技服务团| 毕光元 | 2022-11-08 09:04:31
随着卫星技术的不断发展，星载单机和电子器件功率的大幅提升，对卫星扩热板的散热性能提出了越来越高的要求。高导热性复合材料的研究得到快速发展，其中碳纤维复合材料以其质轻高强、耐腐蚀、低热膨胀系数、导热性可设计性强等优点，逐渐成为制备扩热板的重要材料。但是因为现阶段常用的碳纤维复合材料大都是二维层面结构，在研究不同形态和结构的复合材料时，并不会考虑到其不同位置热导率的差异性，对于传热性能均以面内热导率来表示，而这种表示方法存在着准确性和均一性方面的缺陷。在当前制备立体三维结构的碳纤维复合材料时，一般需要采用树脂基体作为粘结层以保证各组合层的结合性能，但树脂基体普遍存在低导热特性，这样形成的三维复合材料层板的面内和厚度热导率都不能得到提高，难以满足航空领域不断提升的散热需求。因此，如何制备一种面内和厚度热导率较高、具有三维传热通路的复合材料层板，成为解决三维复合材料传热性能的关键。本项目研发了一种面内和厚度热导率较高的三维传热通道复合材料及其制备技术。
三维传热通道复合材料，包括平面层和垂直植入平面层的导热增强体。平面层包含层叠设置的预浸料层和导热膜层，导热增强体为纤维pin针或金属针。本技术通过在复合材料层间设置导热膜层，构建面内导热通道，通过在复合材料的厚度垂直方向植入导热增强体纤维pin针或金属针，建立厚度方向导热通道，利用导热增强体的通道传热性能，同时提高了复合材料在平面层和垂直方向的传热性能,而且复合材料的层间剪切强度因为导热增强体的植入也得到显著提升。实验结果表明，该成果的三维传热通道复合材料的面内热导率可达到100～200W/mk，厚度方向热导率可达到2～10W/mk，层间剪切强度可达到40～80MPa。
在当前制备立体三维结构的碳纤维复合材料时，一般需要采用树脂基体作为粘结层以保证各组合层的结合性能，但树脂基体普遍存在低导热特性，这样形成的三维复合材料层板的面内和厚度热导率都不能得到提高，难以满足航空领域不断提升的散热需求。如中国专利cn103123952a虽然公开了一种三维高导热石墨复合材料，其通过设置高导热层和粘结树脂层的方式来实现快速的散热性能，但实际上因为粘结树脂层的阻隔，其在厚度方向的热导率并不能得到显著提高。
因此，如何制备一种面内和厚度热导率较高、具有三维传热通路的复合材料层板，成为解决三维复合材料传热性能的关键。
北航工研院相关研发团队，本项目已申请国家发明专利。
本发明的目的在于提供一种面内和厚度热导率较高的三维传热通道复合材料及其制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种三维传热通道复合材料，包括平面层和垂直植入平面层的导热增强体，所述平面层包括层叠设置的预浸料层和导热膜层，所述导热增强体为纤维pin针或金属针。
优选的，所述导热增强体的植入间距为(0～5]mm。
优选的，所述导热增强体的直径为0.5～2mm，长度为0.1～10cm。
优选的，所述预浸料层中的预浸料包括碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、芳纶纤维预浸料、超高碳分子量聚乙烯纤维预浸料、pbo纤维预浸料和玄武岩纤维预浸料中的一种或多种。
优选的，所述导热膜层包括石墨膜、石墨烯膜和碳纳米管膜的一种或多种。
优选的，所述纤维pin针包括沥青基碳纤维复合材料pin针、pan基碳纤维复合材料pin针、碳纳米管纤维复合材料pin针和气相生长碳纤维复合材料pin针中的一种或多种。
本发明还提供了上述的三维传热通道复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将预浸料和热处理后的导热膜进行层叠铺层得到平面层；
采用热压处理的方式将导热增强体垂直植入所述平面层中，得到三维传热通道复合材料。
优选的，所述热处理的温度为40～60℃，所述热处理的时间为30～60min。
本成果可支持：技术咨询，技术合作，技术转让等合作模式。
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