CN109796759A - 一种高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

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本发明涉及树脂基复合材料技术领域，具体公开一种空间光学结构用高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料及其制备方法。本发明的复合材料包括氰酸酯/碳纤维复合材料主体和高导热功能层，高导热功能层覆盖在氰酸酯/碳纤维复合材料主体上。本发明的复合材料包括氰酸酯/碳纤维复合材料主体和高导热功能层，高导热功能层中高导热填料含量高且与氰酸酯/碳纤维复合材料主体的基体一致，不存在界面问题，用于空间光学结构可提高敏感器等的温度均匀性，对于改善空间光学遥感器上低热导率结构件的温度梯度具有重要意义。

Description

一种高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及树脂基复合材料技术领域，特别涉及一种空间光学结构用高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
高性能的复合材料在航空航天领域中有不可或缺的地位，与钢、钛合金和铝合金共同支撑着航空航天事业发展。它因具有轻质、高模量、高强度、高韧性、耐腐蚀、耐候性等优异性能而得以在航空航天这一高技术领域中大展身手。但是由于应用于航空航天和军事领域的器件一般都需要在苛刻的环境下运行，如高频、高功率、高压以及高温等，且要求具有高可靠性，安全性长，对散热要求也极高。故对聚合物复合材料的导热性也提出了更高要求。为了捍卫聚合物复合材料的地位，研究出综合性能优异，特别是具有高导热性的复合材料已经成为重中之重。
提高聚合物导热性经济而有效的方法是添加导热填料。经过填充导热填料，聚合物的导热率可大幅度提高，可以制得不同导热性能要求的聚合物复合材料。CN102766309A公开了一种填充改性聚四氟乙烯高导热复合材料的配方及其获取方法，石墨填充的体积份数为18±0.5％，碳纤维填充体积分数为10％。但填充型聚合物基导热材料最主要问题是随着导热性填料含量的增加，复合材料导热性能的提高，不可避免带来材料力学性能的劣化。因此，为了能使导热材料得到实际的应用，往往以降低复合材料的导热性能为代价，这样必然限制了导热材料的导热性能和使用性能。
热量在复合材料中的传导依靠的是声子导热通道的形成，不可避免地要经过许多聚合物与填料的界面，增加两者间界面结合强度，有利于提高复合材料的导热性能。但一般无机填料粒子和聚合物树脂基体界面间相容性很差，填料粒子很难均匀分散在树脂基体中，且容易形成团聚，与此同时两者表面张力的差异使界面存在空隙，不能有效地降低界面的热阻，再与碳纤维形成复合材料后，界面效应更加明显。
发明内容
本发明旨在克服现有技术中填充法制备的高导热复合材料易团聚和界面相容性差导致的填充量低，进而影响导热性能和使用性能的技术问题，提供一种新型空间光学结构用高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种空间光学结构用高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料，所述复合材料包括氰酸酯/碳纤维复合材料主体和高导热功能层，所述高导热功能层覆盖在所述氰酸酯/碳纤维复合材料主体上。
一些实施例中，所述复合材料由所述氰酸酯/碳纤维复合材料主体与所述高导热功能层通过一体固化成型得到。
一些实施例中，所述高导热功能层的导热系数为0.5W/(m·K)～2W/(m·K)。
一些实施例中，所述高导热功能层由一层或多层高导热系数氰酸酯/碳纤维预浸料按照一定铺层角度在氰酸酯/碳纤维复合材料主体上铺放得到。
一些实施例中，所述高导热系数氰酸酯/碳纤维预浸料的增强材料为导热系数在30W/(m·K)～200W/(m·K)的碳纤维中的一种或多种。
一些实施例中，所述高导热系数氰酸酯/碳纤维预浸料的树脂基体为均匀分散高导热系数填料的氰酸酯树脂。
一些实施例中，所述高导热系数填料选自石墨、氧化铝、氧化镁、碳化硅或碳纳米管中的至少一种。
一些实施例中，以所述高导热功能层的质量为100％，所述高导热系数填料的质量为30％～50％。
再另一方面，本发明提供一种上述复合材料的制备方法，所述制备方法包括：S1、按铺层角度和顺序，在模具上铺放氰酸酯/碳纤维预浸料，得到氰酸酯/碳纤维复合材料主体，在所述氰酸酯/碳纤维复合材料主体的最顶层铺放一定角度的高导热功能层；S2、整体入炉固化模压成型得到所述复合材料。
一些实施例中，所述高导热功能层由超声分散高导热填料的氰酸酯树脂胶液涂膜后与碳纤维热熔预浸得到的预浸料铺放制得。
本发明的有益效果在于：本发明的高导热系数复合材料包括氰酸酯/碳纤维复合材料主体和高导热功能层，高导热功能层中高导热填料含量高，且与氰酸酯/碳纤维复合材料主体的基体一致，不存在界面问题；复合材料主体也可由均匀分散填料的树脂膜与碳纤维热熔预浸得到，与外功能层高含量的填料共同作用，解决了单纯填充法时的填充量低，导热效果差，影响其他性能的缺陷，在最终具备优良导热效果的同时，也能保证其他性能依旧良好；本发明的复合材料能够用于空间光学结构，可提高敏感器等的温度均匀性，对于改善空间光学遥感器上低热导率结构件的温度梯度有重要意义。
本发明的复合材料中，高导热层采用预浸料铺放工艺与复合材料主体结合后，经一体固化成型得到，不同于镀层法复杂的工艺和设备要求，较少步骤即实现界面一体化结合，工艺简单，易于工业化生产。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明提供一种高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料，复合材料包括氰酸酯/碳纤维复合材料主体和高导热功能层，高导热功能层覆盖在氰酸酯/碳纤维复合材料主体上。具体的，复合材料由氰酸酯/碳纤维复合材料主体与高导热功能层通过一体固化成型得到。该复合材料可用于空间光学结构中。
其中，高导热功能层由一层或多层高导热系数氰酸酯/碳纤维预浸料按照一定铺层角度在氰酸酯/碳纤维复合材料主体上铺放得到。高导热功能层的导热系数为0.5W/(m·K)～2W/(m·K)。
高导热系数氰酸酯/碳纤维预浸料的增强材料为导热系数在30W/(m·K)～200W/(m·K)的碳纤维中的一种或多种。具体实施方式中，增强材料可为日本东丽公司牌号为M60JB[151.47W/(m·K)]、M55JB[155.75W/(m·K)]、M50[96.64W/(m·K)]、M46[84.29W/(m·K)]、M40JB[68.67W/(m·K)]、M35[83.93W/(m·K)]、T1000G[31.92W/(m·K)]、T800HB[35.01W/(m·K)]碳纤维，三菱沥青基牌号为K63712-12k[140W/(m·K)]、K1352U-2k[140W/(m·K)]的碳纤维等等。
高导热系数氰酸酯/碳纤维预浸料的树脂基体为均匀分散高导热系数填料的氰酸酯树脂。高导热系数填料选自石墨、氧化铝、氧化镁、碳化硅或碳纳米管中的至少一种。具体实施例中，以高导热功能层的质量为100％，高导热系数填料的质量含量为30％～50％，在增强材料表层导热性的同时填料能够分散均匀不团聚，对于各项性能几乎无损失。
优选的实施方式中，在高导热功能层采用高导热系数填料的同时，氰酸酯/碳纤维复合材料主体中同样也添加高导热系数填料，两者相互配合，双重作用，有利于更好的保证本发明高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料的高导热性能。以氰酸酯/碳纤维复合材料主体的质量为100％，复合材料主体中高导热系数填料的质量含量为2％～10％。
本发明还提供一种上述复合材料的制备方法，制备方法包括：S1、按铺层角度和顺序，在模具上铺放氰酸酯/碳纤维预浸料，得到氰酸酯/碳纤维复合材料主体，在氰酸酯/碳纤维复合材料主体的最顶层铺放高导热功能层；S2、整体入炉固化模压成型得到复合材料。具体的，高导热功能层由超声分散高导热填料的氰酸酯树脂胶液涂膜后与碳纤维热熔预浸得到。
本发明的高导热系数复合材料包括氰酸酯/碳纤维复合材料主体和高导热功能层，高导热功能层中高导热系数填料含量高，且与氰酸酯/碳纤维复合材料主体的基体一致，不存在界面问题；复合材料主体也可由均匀分散填料(2％～10％wt)的树脂膜与碳纤维热熔预浸得到，与外功能层高含量的填料共同作用，解决了单纯填充法时的填充量低，导热效果差，影响其他性能的缺陷；
目前对于空间光学结构普遍采用高比强度、高比刚度的碳纤维复合材料。国内常用的碳纤维材料的导热性能较差，其纤维方向的导热率只有约2W/(m·K)。而本发明的复合材料能够用于空间光学结构，可提高敏感器等的温度均匀性，采用其所制备的桁架杆导热率均大于10W/(m·K)，使桁架杆的稳态轴向温差小于2℃，对于改善空间光学遥感器上低热导率结构件的温度梯度有重要意义。
本发明的高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料中，高导热功能层采用预浸料铺放工艺与复合材料主体结合后，经一体固化成型得到，不同于镀层法复杂的工艺和设备要求，较少步骤即实现界面一体化结合，工艺简单，易于工业化生产。
以下通过具体实施例予以详细说明。
实施例1
本实施例的高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料中，氰酸酯/碳纤维复合材料主体的结构由氰酸酯/碳纤维预浸料按照[0/90]10铺层铺放得到，高导热功能层由氰酸酯/碳纤维预浸料按照02铺层在复合材料主体上直接铺放得到；氰酸酯/碳纤维预浸料是利用超声仪将高导热系数填料预聚过程中均匀分散在氰酸酯树脂中，将上述树脂体系在涂膜机上制备成树脂膜后与M40JB碳纤维热熔预浸得到预浸料；其中，高导热系数填料为石墨，复合材料主体中高导热系数填料的质量含量为5％，高导热功能层中高导热系数填料的质量含量为50％。
氰酸酯/碳纤维复合材料主体与高导热功能层通过一体固化成型，得到最终的复合材料，复合材料的导热系数为11.66W/(m·K)，模量为115MPa，热胀系数αx为1.01*10-6/K；αy为1.51*10-6/K。
实施例2
本实施例的高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料中，氰酸酯/碳纤维复合材料主体的结构由氰酸酯碳纤维预浸料按照[±15]8铺层铺放得到，高导热功能层由氰酸酯/碳纤维预浸料按照02铺层在复合材料主体上直接铺放得到；氰酸酯/碳纤维预浸料是利用超声仪将高导热系数填料预聚过程中均匀分散在氰酸酯树脂中，将上述树脂体系在涂膜机上制备成树脂膜后与M55JB碳纤维热熔预浸得到预浸料；其中，高导热系数填料为氧化铝，复合材料主体中高导热系数填料的质量含量为2％，高导热功能层中高导热系数填料的质量含量为50％。
氰酸酯/碳纤维复合材料主体与高导热功能层通过一体固化成型，得到最终的复合材料，复合材料的导热系数为11.45W/(m·K)，模量为213MPa，热胀系数αx为-1.83*10-6/K；αy为17.8*10-6/K，紫外辐照(吸收剂量为2000ESH)后弯曲强度变化率为-7.9％，弯曲模量变化率为5.7％，层间剪切强度变化率为-16.5％，质量损失率为-0.25％。
实施例3
本实施例的高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料中，氰酸酯/碳纤维复合材料主体的结构由氰酸酯/碳纤维预浸料按照[0/90/±45]8铺层铺放得到，高导热功能层由氰酸酯/碳纤维预浸料按照±152铺层在复合材料主体上直接铺放得到；氰酸酯/碳纤维预浸料是利用超声仪将高导热系数填料预聚过程中均匀分散在氰酸酯树脂中，将上述树脂体系在涂膜机上制备成树脂膜后与M55JB碳纤维热熔预浸得到预浸料；其中，高导热系数填料为氧化铝和氧化镁，复合材料主体中高导热系数填料的质量含量为2％，高导热功能层中高导热系数填料的质量含量为40％。
氰酸酯/碳纤维复合材料主体与高导热功能层通过一体固化成型，得到最终的复合材料，复合材料的导热系数为16.95W/(m·K)，模量为112MPa，热胀系数αx为0.222*10-6/K；αy为0.609*10-6/K。
实施例4
本实施例的高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料中，氰酸酯/碳纤维复合材料主体的结构由氰酸酯/碳纤维预浸料按照[0/±60]10铺层铺放得到，高导热功能层由氰酸酯/碳纤维预浸料按照±302铺层在复合材料主体上直接铺放得到；氰酸酯/碳纤维预浸料是利用超声仪将高导热系数填料预聚过程中均匀分散在氰酸酯树脂中，将上述树脂体系在涂膜机上制备成树脂膜后与M55JB碳纤维热熔预浸得到预浸料，其中，高导热系数填料为碳纳米管，复合材料主体中高导热系数填料的质量含量为3％，高导热功能层中高导热系数填料的质量含量为45％。
氰酸酯/碳纤维复合材料主体与高导热功能层通过一体固化成型，得到最终的复合材料，复合材料的导热系数为10.47W/(m·K)，模量106MPa，热胀系数αx为0.253*10-6/K；αy为0.552*10-6/K，真空条件下(125℃，1*10-3Pa)总质损TML为0.177％，可凝挥发物含量CVCM0.005％，水蒸汽回吸量WVR0.124％。
实施例5
本实施例的高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料中，氰酸酯/碳纤维复合材料主体的结构由氰酸酯/碳纤维预浸料按照[0/90/±45]8铺层铺放得到，高导热功能层由氰酸酯/碳纤维预浸料按照02铺层在复合材料主体上直接铺放得到；氰酸酯/碳纤维预浸料是利用超声仪将高导热系数填料预聚过程中均匀分散在氰酸酯树脂中，将上述树脂体系在涂膜机上制备成树脂膜后与T800HB或M55JB碳纤维热熔预浸得到预浸料；其中，复合材料主体中采用的碳纤维为T800HB，高导热功能层采用的碳纤维为M55JB；高导热系数填料为碳化硅，复合材料主体中高导热系数填料的质量含量为10％，高导热功能层中高导热系数填料的质量含量为50％。
氰酸酯/碳纤维复合材料主体与高导热功能层通过一体固化成型，得到最终的复合材料，复合材料的导热系数为10.36W/(m·K)，模量为74MPa，热胀系数αx为1.32*10-6/K；αy为2.23*10-6/K。
综上可见，本发明的高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料，由均匀分散填料的树脂膜与碳纤维热熔预浸得到复合材料主体，与高导热功能层高含量的填料共同作用，解决了单纯填充法时的填充量低，导热效果差，影响其他性能的缺陷，在具备优良导热效果的同时，也能保证其他性能依旧良好。
本发明的高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料能够用于空间光学结构，可提高敏感器等的温度均匀性，采用其所制备的桁架杆导热率均大于10W/(m·K)，使桁架杆的稳态轴向温差小于2℃，对于改善空间光学遥感器上低热导率结构件的温度梯度有重要意义。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高导热系数氰酸酯基碳纤维复合材料，其特征在于，所述复合材料由氰酸酯/碳纤维复合材料主体和高导热功能层组成，所述高导热功能层覆盖在所述氰酸酯/碳纤维复合材料主体上。
2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料由所述氰酸酯/碳纤维复合材料主体与所述高导热功能层通过一体固化成型得到。
3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述高导热功能层的导热系数为0.5W/(m·K)～2W/(m·K)。
4.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述高导热功能层由一层或多层高导热系数氰酸酯/碳纤维预浸料按照一定铺层角度在氰酸酯/碳纤维复合材料主体上铺放得到。
5.如权利要求4所述的复合材料，其特征在于，所述高导热系数氰酸酯/碳纤维预浸料的增强材料为导热系数在30W/(m·K)～200W/(m·K)的碳纤维中的一种或多种。
6.如权利要求4所述的复合材料，其特征在于，所述高导热系数氰酸酯/碳纤维预浸料的树脂基体为均匀分散高导热系数填料的氰酸酯树脂。
7.如权利要求6所述的复合材料，其特征在于，所述高导热系数填料选自石墨、氧化铝、氧化镁、碳化硅或碳纳米管中的至少一种。
8.如权利要求7所述的复合材料，其特征在于，以所述高导热功能层的质量为100％，所述高导热系数填料的质量为30％～50％。
9.一种如权利要求1所述复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
S1、按铺层角度和顺序，在模具上铺放氰酸酯/碳纤维预浸料，得到氰酸酯/碳纤维复合材料主体，在所述氰酸酯/碳纤维复合材料主体的最顶层铺放高导热功能层；
S2、整体入炉固化模压成型得到所述复合材料。
10.一种如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述高导热功能层由超声分散高导热填料的氰酸酯树脂胶液涂膜后与碳纤维热熔预浸得到的预浸料铺放制得。
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