一种热界面材料用绝缘导热碳纤维的制备方法

技术领域

本发明属于碳纤维表面处理技术及热界面材料领域，尤其涉及一种热界面材料用绝缘导热碳纤维的制备方法。

背景技术

碳纤维具有良好的力学性能，例如高比强、高比模和较好的热、电性能等，因此作为增强相被广泛应用于各种复合材料。在航空航天、汽车、能源、体育休闲等领域具有较高的应用价值，被称为21世纪的黑色黄金。

如今，电子元器件现在朝着小型化，集成化等方向发展，单位体积能耗越来越大，在工作过程中产生越来越多的热量，热量如果不能及时传导出去，会降低设备的工作效率，甚至缩短设备使用寿命。热界面材料具有良好的热导率，目前已被广泛应用电子领域，其中导热垫片应用范围最广泛。传统导热垫通常是由具有高导热的填料与硅胶复合而成，无机填料的比例越高，复合材料的导热性能越好，但当填料的比例超过一个临界值时，复合材料的物理性能，力学性能就会大幅度降低，严重影响其使用领域。碳基材料以其微观柔性、高导热和高力学强度展现了其作为热界面材料的潜力。相比于传统的陶瓷基导热填料，石墨化碳纤维具有高热导率>900 W/mK和低密度2.0 g/cm

但是，在制备过程中，若碳纤维完全处在硅胶垫里面，热导率效率会大打折扣，发挥不了碳纤维导热的优势；当碳纤维端头露出导热垫表面，虽然材料的热导率得到了很大的提升，但表面露出的碳纤维会引起电子元器件短路，进而影响电子设备正常运转。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是制备一种表面绝缘包覆的碳纤维，通过在碳纤维表面包覆一层SiC或Si

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种热界面材料用绝缘导热碳纤维的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备SiO

（2）碳纤维的处理：将碳纤维浸泡在步骤（1）制得的SiO

（3）高温热还原：将步骤（2）制备的SiO

（4）纤维表面改性：将步骤（3）制备的绝缘碳纤维置于硅烷偶联剂的溶液中对其进行化学接枝，得到表面修饰改性的绝缘碳纤维。

优选地，所述步骤（3）高温热还原的条件为：Ar气氛，1200~1550ºC，表面包覆为SiC涂层。

优选地，所述步骤（3）高温热还原的条件为：N

优选地，所述步骤（1）的过程为：将正硅酸乙脂与乙醇、水混合均匀，然后滴加酸液至pH在3~5；混合均匀，在50~90 ºC下恒温水解2~10h，形成溶胶；所用的原料为：30~80g碳纤维，50~100mL正硅酸乙酯，100~500mL乙醇，100~500mL水。

优选地，所述步骤（2）的碳纤维为表面氧化后的碳纤维；所述的碳纤维为高导热碳纤维，包括沥青基碳纤维、气相沉积碳纤维、石墨烯基碳纤维。

优选地，所述步骤（4）的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷，γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，γ-甲基丙烯酰氧基丙基，乙烯基三乙氧基硅烷，乙烯基三甲氧基硅烷，十六烷基三甲氧基硅烷中的一种或两种以上；所述的高导热碳纤维的直径为6～20μm，长度为50～400μm，热导率为400～1000W/mK。

优选地，所述改性碳纤维的制备方法：将硅烷偶联剂与乙醇/水溶液混合，搅拌均匀后加入需要改性的碳纤维，在50~100°C搅拌1-5h，抽滤分离，洗涤干燥，制备表面接枝改性的碳纤维；所述硅烷偶联剂占改性碳纤维质量比为0.1~3.0%。

上述制备方法制备的绝缘导热碳纤维在导热垫片上的应用。

上述应用，包括以下步骤：

（1）将乙烯基硅油、含氢硅油、抑制剂真空搅拌均匀，得到混合物A；

（2）表面接枝改性后的球形陶瓷微粉，加入到步骤（1）的混合液A中，真空搅拌均匀，得到混合物B；

（3）将表面绝缘包覆的碳纤维加入到步骤（2）的混合液B中，加入催化剂，真空搅拌均匀，得到混合物C；

（4）将步骤（3）的混合物C转移至模具中，两侧分别连接正负电极，施加电场；之后升温固化，即得高导热材料。

优选地，所用原料的重量份数为：200-500份绝缘碳纤维、800-1500份改性的球形陶瓷微粉、乙烯基硅油100份，含氢硅油5~10份，催化剂1~3份，抑制剂0.1~0.5份，其中催化剂优选铂金络合剂，抑制剂优选乙炔环己醇。

通过将上述绝缘处理的高导热碳纤维与球形陶瓷微粉进行复配，在电场作用下使碳纤维发生定向排列，制备出导热性能好、柔软且绝缘性能好的碳纤维导热材料。

附图说明

图1为热界面材料用绝缘导热碳纤维的SEM图。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.工艺简单、易操作

通过溶胶凝胶法制备SiO

2.绝缘涂层包覆效果好

将碳纤维和SiO

具体实施方式。

以下结合具体实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种绝缘的碳纤维的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备SiO

步骤2：将氧化碳纤维30g加入到步骤1的SiO

步骤3：将步骤2制备的SiO

步骤4：对纤维进行表面修饰。配制质量分数为2%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷的乙醇/水溶液，其中乙醇水溶液按体积比乙醇:水=10:1配制，充分搅拌后将所需要改性的绝缘碳纤维加入混合溶液中，在80°C搅拌回流3h后过滤分离，洗涤，120°C烘干处理，得到表面改性的绝缘碳纤维。其中，硅烷偶联剂占填料重量比为3%。

实施例2

一种绝缘的碳纤维的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备SiO

步骤2：将氧化碳纤维50g加入到步骤1的SiO

步骤3：将步骤2制备的SiO

步骤4：对纤维进行表面修饰。配制质量分数为1%的乙烯基三乙氧基硅烷的乙醇/水溶液，其中乙醇水溶液按体积比乙醇:水=10:1配制，充分搅拌后将所需要改性的绝缘碳纤维加入混合溶液中，在50°C搅拌回流3h后过滤分离，洗涤，120°C烘干处理，得到表面改性的绝缘碳纤维。其中，硅烷偶联剂占填料重量比为0.5%。

实施例3

一种绝缘的碳纤维的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备SiO

步骤2：将氧化碳纤维80g加入到步骤1的SiO

步骤3：将步骤2制备的SiO

步骤4：对纤维进行表面修饰。配制质量分数为0.5%的十六烷基三甲氧基硅烷的乙醇/水溶液，其中乙醇水溶液按体积比乙醇:水=10:1配制，充分搅拌后将所需要改性的绝缘碳纤维加入混合溶液中，在80°C搅拌回流3h后过滤分离，洗涤，120°C烘干处理，得到表面改性的绝缘碳纤维。其中，硅烷偶联剂占填料重量比为0.1%。

实施例4

一种绝缘的碳纤维的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备SiO

步骤2：将氧化碳纤维80g加入到步骤1的SiO

步骤3：将步骤2制备的SiO

步骤1：对纤维进行表面修饰。配制质量分数为2%的乙烯基三甲氧基硅烷的乙醇/水溶液，其中乙醇水溶液按体积比乙醇:水=10:1配制，充分搅拌后将所需要改性的绝缘碳纤维加入混合溶液中，在80°C搅拌回流3h后过滤分离，洗涤，120°C烘干处理，得到表面改性的绝缘碳纤维。其中，硅烷偶联剂占填料重量比为1%。

实施例5

本实施例是在实施例1的基础上，将表面绝缘处理过的碳纤维混入液体硅橡胶中，通过取向使碳纤维规整排列，制备高导热绝缘的导热垫片。具体包括：

碳纤维/硅橡胶混合物的制备：将乙烯基硅油、含氢硅油、抑制剂经真空搅拌混合均匀。再将改性的氧化铝微粉、绝缘碳纤维依次加入到硅油混合物中，真空搅拌混合均匀。之后加入铂金催化剂，搅拌均匀。其中，复合材料的组分为：乙烯基硅油100份，含氢硅油5份，乙炔环己醇0.3份，球形氧化铝1200份，碳纤维200份，铂金络合剂2份。

碳纤维的取向：将搅拌均匀的复合材料浆料，置于模具中。在模具两端分别接通正负电极，进行电场取向。模具间距为2mm，调节电压大小为500V。

复合材料固化：在保持施加电场的情况下，升高温度至100°C，保持1h至完全固化，制得2mm厚度的导热垫片。

实施例6

本实施例是在实施例2的基础上，将表面绝缘处理过的碳纤维混入液体硅橡胶中，通过取向使碳纤维规整排列，制备高导热绝缘的导热垫片。具体包括：

碳纤维/硅橡胶混合物的制备：将乙烯基硅油、含氢硅油、抑制剂经真空搅拌混合均匀。再将改性的氧化铝微粉、绝缘碳纤维依次加入到硅油混合物中，真空搅拌混合均匀。之后加入铂金催化剂，搅拌均匀。其中，复合材料的组分为：乙烯基硅油100份，含氢硅油7份，乙炔环己醇0.2份，球形氧化铝1500份，碳纤维100份，铂金络合剂2.5份。

碳纤维的取向：将搅拌均匀的复合材料浆料，置于模具中。在模具两端分别接通正负电极，进行电场取向。模具间距为2mm，调节电压大小为700V。

复合材料固化：在保持电场的情况下，升高温度至100°C，保持1h至完全固化，制得2mm厚度的导热垫片。

实施例7

本实施例是在实施例3的基础上，将表面绝缘处理过的碳纤维混入液体硅橡胶中，通过取向使碳纤维规整排列，制备高导热绝缘的导热垫片。具体包括：

碳纤维/硅橡胶混合物的制备：将乙烯基硅油、含氢硅油、抑制剂经真空搅拌混合均匀。再将改性处理好的氧化铝微粉、绝缘碳纤维依次加入到硅油混合物中，真空搅拌混合均匀。之后加入铂金催化剂，搅拌均匀。其中，复合材料的组分为：乙烯基硅油100份，含氢硅油10份，乙炔环己醇0.5份，球形氧化铝500份，碳纤维400份，铂金络合剂3份。

碳纤维的取向：将搅拌均匀的复合材料浆料，置于模具中。在模具两端分别接通正负电极，进行电场取向。模具间距为2mm，调节电压大小为1000V。

复合材料固化：在保持电场的情况下，升高温度至120°C，保持1h至完全固化，制得2mm厚度的导热垫片。

对比例1

将仅硅烷偶联剂接枝的碳纤维混入液体硅橡胶中，通过取向使碳纤维规整排列，制备高导热绝缘的导热垫片。具体包括：

碳纤维/硅橡胶混合物的制备：将乙烯基硅油、含氢硅油、抑制剂经真空搅拌混合均匀。再将改性的氧化铝微粉、碳纤维依次加入到硅油混合物中，真空搅拌混合均匀。之后加入铂金催化剂，搅拌均匀。其中，复合材料的组分为：乙烯基硅油100份，含氢硅油5份，乙炔环己醇0.3份，球形氧化铝1500份，碳纤维100份，铂金络合剂2份。

碳纤维的取向：将搅拌均匀的复合材料浆料，置于模具中。施加电场进行电场取向。模具间距为2mm，施加500V电场

复合材料固化：在保持施加电场的情况下，升高温度至100°C，保持1h至完全固化，制得2mm厚度的导热垫片。

为了验证碳纤维的绝缘效果，我们按照实例4，5，6和对比例1四种方式制备出了2mm的导热垫片，通过测试垫片的耐击穿电压表征碳纤维表面包覆涂层后绝缘性能优劣。与此同时，我们也对样品的导热性能进行了测试，具体的数据如下表1所示。

表1：样品性能测试结果

对于没有绝缘涂层包覆的碳纤维，制备的样品导热系数25.8 W/mK，与绝缘涂层包覆碳纤维的样品导热系数变化不大，但是耐击穿电压数值为0，明显具备导电性。