專利名稱：一種高導熱炭纖維的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種高導熱炭纖維的制備方法，屬于炭纖維的制備技術領域。
背景技術：
隨著生活品質的提高，人們對 便攜式高端娛樂電子設備的輕量化、小型化(薄)的要求越來越高；同時，還要求這些電子設備的性能越來越高、功能越來越多。這兩方面的要求促使這些電子設備的主要部件(如CPU等)集成化程度越來越高、速度越來越快而體積越來越小，從而在運行過程中產生了更多的熱量，造成機器過熱，使這些設備的用戶體驗不佳，頻繁死機甚至損壞。為使這些設備的每個部件運行正常、高效，這些熱量必須及時的定向導出。新型高超音速飛行器在服役過程中需要經受長時間(1000S以上)中低密度熱流(lMW/m2量級)的持續加熱，總加熱量很高。同時，該飛行器復雜的外形還導致許多特殊部位經受相對較強的加熱，使其大面積熱防護系統在飛行過程中不同部位的溫度極其不均勻。這對傳統的燒蝕型和非燒蝕隔熱型熱防護系統提出了嚴峻挑戰，為此美國空軍推進實驗室提出了熱管理的概念，用以綜合控制不同部位的熱流，使高溫區熱流向低溫區傳遞，從而降低高溫區熱防護的難度。目前所用的導熱材料如Ni基高溫合金、陶瓷基復合材料等在比重、耐高溫、定向熱導率、熱膨脹系數及抗熱震性等方面難以同時達到使用要求，應用受到一定限制。因此迫切需要研制一種新型定向高導熱材料以滿足宇航科技蓬勃發展的要求。石墨材料不僅具有較低的密度(2. 26g/cm3左右)和優異的高溫力學性能，還具有優異的抗熱震性和高導熱特性，是能夠滿足上述領域要求的一種高導熱管理材料。石墨材料的高導熱特性源于沿碳六角網狀結構組成的石墨片層方向具有的高導熱系數(理論上可達2500W·!!!—1 而垂直于石墨片層方向的熱導率僅6W·!!!—1 · T10因此在高導熱石墨材料的制備過程中，應盡量使石墨片層沿同一方向排列，并在使用過程中揚長避短，通過適當的設計使熱量沿該方向傳遞。絕大多數石墨片層沿纖維軸向擇優排列的高性能連續石墨纖維(GF)，在纖維軸向具有較高的熱導率。經過適當設計可以排列(或編織)并復合成所需要的定向高導熱炭基復合材料。目前使用的高導熱炭纖維前驅體主要是中間相浙青纖維，但該種纖維的強度極低(僅幾MPa)，非常脆，造成其連續化生產過程極為繁瑣，成本非常高，至今國內仍無一家單位可以生產。因此尋找一條異于以前的研發路線制備高導熱GF具有非常重要的意義。研究人員在制備高定向石墨的過程中發現，具有高取向度的聚酰亞胺(PI)高分子膜，在惰性氣氛中經加壓炭化、石墨化可制得高結晶性和高取向度的石墨膜。日本科學家Murakami等采用高度取向的PI薄膜為原料,經過裁切、層疊、壓制、炭化、石墨化制得了熱導率高達1800W πΓ1 -T1的塊體材料。在這些研究中，為抑制PI分子鏈在熱處理時斷裂而導致的大量含碳小分子物質的逸出，減少薄膜中的缺陷，需要施加極高的壓力和非常緩慢的升溫速率，制備條件苛刻。該方法難以制備大塊樣品并批量化生產，其應用受到了較大限制。如果將聚酰亞胺紡成纖維，再對纖維熱處理制成高導熱GF，將極大的擴展它的應用范圍，將具有廣闊的應用前景。而PI纖維作為高聚物纖維，其斷裂伸長通常高于10%，強度大于IOOMPa,極易實現高導熱炭纖維的連續化生產。PI纖維在制備過程中由于紡絲成型過程中受到較大牽伸，其高分子鏈大多沿纖維軸擇優取向。因此，PI分子鏈在纖維中的取向與薄膜中相比，沿纖維軸向取向度更高，排列更規整；同時由于主鏈上含有較多的芳香環，PI高分子鏈類似于一根剛性的長帶,芳香環大多分布在長帶的寬面上。這種芳香環的排列方式非常類似于中間相浙青纖維。而PI的分子量遠較中間相浙青高，其沿纖維軸向高度擇 優取向的分子鏈也遠長于中間相浙青。這種分子結構將可能生成尺寸更大、缺陷更少的石墨晶格。

發明內容
本發明的目的就是提供一種新型即聚酰亞胺基高導熱炭纖維的制備方法，相關研究目前還未見于任何的公開報道。本發明將參考高性能PAN基炭纖維和高導熱MP基GF的制備方法，通過對PI纖維進行穩定化、炭化、石墨化處理，并在熱處理過程中施加牽伸(張力)代替高取向PI薄膜炭化過程中的壓力，獲得具有高結晶度、高取向度的高導熱GF。本發明制備高導熱聚酰亞胺基炭纖維的方法，其特征在于，包括以下步驟首先將聚酰亞胺纖維進行氣相或液相穩定化處理，使其聚酰亞胺高分子鏈交聯固化；然后將穩定化纖維在氮氣氣氛中進行低溫約束條件下的炭化，最后進行高溫石墨化處理。上述所述的聚酰亞胺纖維為線性高分子材料，其中酰亞胺基團為結構式1，這些高
分子鏈沿纖維軸向具有高度擇優取向。
權利要求
1.一種制備高導熱聚酰亞胺基炭纖維的方法，其特征在于，包括以下步驟首先將聚酰亞胺纖維進行氣相或液相穩定化處理，使其聚酰亞胺高分子鏈交聯固化；然后將穩定化纖維在氮氣氣氛中進行低溫約束條件下的炭化，最后進行高溫石墨化處理； 上述所述的聚酰亞胺纖維為線性高分子材料，其中酰亞胺基團為結構式I，高分子鏈沿纖維軸向具有擇優取向；
2.按照權利要求I的方法，其特征在于，所述的聚酰亞胺纖維斷裂伸長大于4%、強度大于lOOMPa，同時其高分子鏈的軸向擇優取向度高于60%。
3.按照權利要求I的方法，其特征在于，所述的氣相穩定化條件牽伸比為0-15%，空氣氣氛下或氧氣氣氛，以3-10°C /min的速度由室溫升至300_450°C，然后又以0. 5-2°C /min的升溫速率升至450-550°C，停留l-60min。
4.按照權利要求I的方法，其特征在于，上述所述的液相穩定化條件液相氧化介質為沸騰條件下的濃硝酸，處理時間為5-40min，處理后的聚酰亞胺纖維需用蒸餾水洗凈并干燥。
5.按照權利要求4的方法，其特征在于，處理時間為8-30min。
6.按照權利要求I的方法，其特征在于，所述的低溫炭化條件牽伸比為0-6%，高純氮氣氣氛，壓力0. l-6MPa，以5-20°C /min升至500°C，然后以1_5°C /min的升溫速率升至800-1200°C，停留時間為 l-60min。
7.按照權利要求I的方法，其特征在于，所述的高溫石墨化條件牽伸比為0-4%，高純氬氣氛，溫度為2400-3200°C，停留時間為l-60min。
全文摘要
一種高導熱炭纖維的制備方法，屬于炭纖維的制備技術領域。首先將聚酰亞胺纖維進行氣相或液相穩定化處理，使其聚酰亞胺高分子鏈交聯固化；然后將穩定化纖維在氮氣氣氛中進行低溫約束條件下的炭化，最后進行高溫石墨化處理；聚酰亞胺纖維為線性高分子材料，其中酰亞胺基團為高分子鏈沿纖維軸向具有高度擇優取向。本發明方法可獲得高結晶度、高取向度的高導熱GF。
文檔編號D01F9/24GK102766990SQ20121022872
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月2日 優先權日2012年7月2日
發明者宋懷河, 李卓, 馬兆昆 申請人:北京化工大學