一种具有导热各向异性的镀铜碳纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有导热各向异性的镀铜碳纤维及其制备方法，所述方法包括以下步骤：1)取短切碳纤维粗化置于强氧化环境中进行粗化；2)将步骤1)制备得到的粗化碳纤维置于碱液中，进行中和；3)将步骤2)制备得到的碳纤维原料置于2～5g/ml的氯化亚锡水溶液中；再另加入浓盐酸与氯化钠，加热至沸腾10～20分钟，进行敏化；4)配制成活化溶液，将步骤3)制备的碳纤维放入活化溶液中，加热至50～60摄氏度，持续10～15分钟；5)在质量分数为2～4％的次亚磷酸钠水溶液中浸泡1小时；6)将步骤5)得到的碳纤维放入镀铜液中，加热到50～70摄氏度，以300～600r/min的搅拌速度搅拌10～40分钟，本发明专利技术所用材料碳纤维易得，铜源廉价，铜镀层厚度可控，导热率提升明显。

A Copper-plated Carbon Fiber with Anisotropic Thermal Conductivity and Its Preparation Method

The invention discloses a copper-plated carbon fiber with thermal conductivity anisotropy and a preparation method thereof. The method comprises the following steps: 1) coarsening short-cut carbon fibers in a strong oxidizing environment; 2) neutralizing the coarsened carbon fibers prepared in step 1) in alkali solution; 3) placing the carbon fibers prepared in step 2) in 2-5 g/ml stannous chloride aqueous solution; Adding concentrated hydrochloric acid and sodium chloride, heating to boiling for 10-20 minutes, sensitizing; 4) preparing activation solution, heating carbon fibers prepared in step 3 to 50-60 degrees Celsius in activation solution for 10-15 minutes; 5) soaking in 2-4% sodium hypophosphite solution for 1 hour; 6) heating carbon fibers obtained in step 5 into copper plating solution and heating to 50 degrees Celsius. With stirring speed of 300-600 r/min and stirring speed of 10-40 minutes at 70 degrees Celsius, the material of the invention is easy to obtain, the copper source is cheap, the thickness of the copper coating is controllable, and the thermal conductivity is obviously improved.

【技术实现步骤摘要】
一种具有导热各向异性的镀铜碳纤维及其制备方法
本专利技术涉及导热碳纤维
，特别是涉及一种具有导热各向异性的镀铜碳纤维及其制备方法。
技术介绍
碳纤维(CF)是由聚丙烯腈纤维、沥青纤维或粘胶纤维等经氧化、炭化等过程制得的含碳量在90％以上的纤维状固体材料。CF由于经过高温碳化和取向，其碳原子排列非常紧密，乱层石墨之间紧密贴合，此外，CF直径较细，在一定程度上减少了缺陷的含量，因而其具有极高的力学强度和模量。CF的拉伸强度可达7GPa，拉伸模量可达700GPa，远高于玻璃纤维和凯夫拉纤维。此外，在不接触空气时，CF能够耐受3000℃以上的高温，具有突出的耐热性能，而且温度越高，纤维强度越大。碳纤维具有不生锈,比强度、比刚度高,耐高温性能良好及尺寸稳定性等优点,已广泛应用到航空、汽车、电子、纺织机械、医疗器械、生物工程、建筑材料、化工机械、日用品等各个领域.碳纤维增强金属基复合材料质轻,依据纤维等级和方向性,甚至可以达到类似钢材的强度。沥青基或丙烯腈基碳纤维是有机纤维经过预氧化和高温石墨化得到的一种纤维状一维纳米材料。碳纤维由于具有规整有序的石墨原子层，声子传导的阻碍较少，面内缺陷较少，导热效率很高，因而利用碳纤维制备碳基高导热材料成为了人们研究的重点，也出现了类似专利的授权或公开。中华人民共和国国家知识产权局授权号为CN201611202967.3，等专利技术专利公布了利用碳纤维制备导热复合材料的技术。以上所述的专利技术专利仅仅说明了传统的导热碳纤维制备方法和复合工艺，只获得了具有导热各向异性的导热碳材料。而对于碳纤维的碳原子的晶格震动是材料导热的基础，因此碳纤维材料中声子传递只能沿着晶面即碳纤维轴向进行高速传导，而对于晶面层间，过远的距离严重地影响了声子的传导。在经过有机原料成纤工艺处理后，石墨烯晶面在外力作用下沿纤维轴向取向，因而在碳纤维中只有在沿纤维轴向上具有高热导率(大于900W/(m·K))，而沿纤维径向热导率很低，不到15W/(m·K)。因此，现有已公开的专利技术专利所获得材料的导热系数较高的各向异性远不能满足大型计算机、高集成电子器件等对导热材料导热能力的要求，在碳材料已有优势基础上开发一种同时具有沿轴向和径向方向的高导热、低各向异性的材料显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种具有导热各向异性的镀铜碳纤维及其制备方法。为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：一种具有导热各向异性的镀铜碳纤维，包括中心的碳纤维以及包覆在碳纤维外周的铜镀层，所述镀铜碳纤维沿纤维轴向和沿纤维径向方向的导热率不同。优选的，所述铜镀层的厚度为0.7μm～1.5μm，所述镀铜碳纤维沿纤维轴向上的导热率为910W/(m·K)～970W/(m·K)，所述镀铜碳纤维沿纤维径向上的热导率为75W/(m·K)～175W/(m·K)。优选的，所述铜镀层的厚度为1.1μm～1.2μm，所述镀铜碳纤维沿纤维轴向上的导热率为915W/(m·K)～965W/(m·K)，所述镀铜碳纤维沿纤维径向上的热导率为140W/(m·K)～175W/(m·K)。本专利技术的另一方面，所述具有导热各向异性的镀铜碳纤维的制备方法，包括以下步骤：1)取短切碳纤维粗化置于强氧化环境中进行粗化，制备表面粗糙且含有活性基团的碳纤维；2)将步骤1)制备得到的粗化碳纤维置于碱液中，进行中和，以使得纤维裂缝中为中性；3)将步骤2)制备得到的碳纤维原料置于2～5g/ml的氯化亚锡水溶液中；再另加入浓盐酸与氯化钠，其中浓盐酸与氯化纳的体积质量比为：(30～50)ml：(10～12)g，加热至沸腾10～20分钟，进行敏化；4)配制成活化溶液，将步骤3)制备的碳纤维放入活化溶液中，加热至50～60摄氏度，持续10～15分钟，所述活化溶液中氯化钯、水和浓盐酸的质量体积比为(25～35)mg：50ml：(1～2)ml；5)在质量分数为2～4％的次亚磷酸钠水溶液中浸泡1小时，最后得到预处理之后的碳纤维；6)将步骤5)得到的碳纤维放入镀铜液中，加热到50～70摄氏度，以300～600r/min的搅拌速度搅拌10～40分钟，其中所述镀铜液中硫酸铜、柠檬酸、三钠次亚磷酸钠、水的质量比为(1.5～2.5)：(5～6)：(11.5～13.5)：100。优选的，所述步骤1)中的短切碳纤维为长度为1～3mm的碳纤维。优选的，所述步骤1)中粗化步骤具体为：将短切碳纤维加入到体积比为(3～4)：1的浓硝酸-浓硫酸混合液中，混合液用量为完全浸没纤维即可，以300～600r/min加热沸腾，加热温度为(100-120)摄氏度，搅拌24～48小时，抽滤后将滤饼置入鼓风干燥箱中以50～70℃干燥1～2小时。优选的，所述步骤2)中的中和步骤为：将步骤1)制得的表面粗化的碳纤维放入到体积分数10％～15％的氢氧化钠水溶液中，室温浸泡5～10min。优选的，所述步骤7)中搅拌时间为30～40分钟。本专利技术的另一方面，还包括所述具有导热各向异性的镀铜碳纤维的制备方法在改性碳纤维沿径向导热率上的应用。优选的，通过控制镀铜时间和镀铜液的浓度，可调节铜镀层的厚度，从而调节改性碳纤维沿径向的导热率。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、铜镀层可很好的解决碳纤维径向导热率低的问题，通过以上步骤的改性碳纤维，制备了沿轴向具有高导热性能的铜镀碳纤维，得到热导率沿径向大于150W/(m·K)的碳纤维复合材料，铜镀碳纤维的轴向热导率是碳纤维决定的，因为碳纤维的轴向热导率远远大于铜的热导率，铜镀碳纤维的径向热导率是铜镀层决定的，因为碳纤维的径向热导率远远小于铜的热导率。2、本专利技术所用材料碳纤维易得，铜源廉价，铜镀层厚度可控，导热率提升明显。附图说明图1所示为本专利技术的镀铜碳纤维的结构示意图。图2所示为实施例1得到的镀铜碳纤维的扫描电镜照片。图3所示为实施例3得到的镀铜碳纤维的扫描电镜照片。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。1)先将1～3mm的短切碳纤维经过粗化，中和，敏化，活化，还原后得到表面粗化且含有活性基团的碳纤维。2)镀铜过程，控制生长时间可控制铜镀层厚度，筛选导热率最大镀层厚度。镀铜时间为10～40min。镀层厚度范围约0.7-1.5μm。实施例1将长度为1mm的市售短切碳纤维加入到体积比为3：1的浓硝酸-浓硫酸混合液中，其中浓硝酸为市售浓硝酸的质量分数约为65％，浓硫酸浓度约为98％，混合液用两位完全浸没纤维即可。以350r/min加热沸腾(110摄氏度)搅拌24小时，抽滤后将滤饼置入鼓风干燥箱中以50℃干燥1小时，制备得到表面粗糙且含有活性基团的碳纤维，称为粗化；将第一步的粗化碳纤维置于体积分数10％的氢氧化钠水溶液中，室温浸泡5min，称为中和，以确保纤维裂缝中为中性；将第二步得到的碳纤维原料置于2g/ml的氯化亚锡的水溶液中；再另加入30ml浓盐酸与10g氯化纳，加热至沸腾10分钟，称为敏化；取25mg氯化钯与50ml水，另加1ml浓盐酸，浓盐酸质量分数约为37％～38％，配制成活化溶液，将制备的碳纤维放入溶液中，加热至50～60摄氏度，持续10分钟。最后，在质量分数为2％的次亚磷酸钠的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有导热各向异性的镀铜碳纤维，其特征在于，包括中心的碳纤维以及包覆在碳纤维外周的铜镀层，所述镀铜碳纤维沿纤维轴向和沿纤维径向方向的导热率不同。

【技术特征摘要】
1.一种具有导热各向异性的镀铜碳纤维，其特征在于，包括中心的碳纤维以及包覆在碳纤维外周的铜镀层，所述镀铜碳纤维沿纤维轴向和沿纤维径向方向的导热率不同。2.如权利要求1所述的具有导热各向异性的镀铜碳纤维，其特征在于，所述铜镀层的厚度为0.7μm～1.5μm，所述镀铜碳纤维沿纤维轴向上的导热率为910W/(m·K)～970W/(m·K)，所述镀铜碳纤维沿纤维径向上的热导率为75W/(m·K)～175W/(m·K)。3.如权利要求1所述的具有导热各向异性的镀铜碳纤维，其特征在于，所述铜镀层的厚度为1.1μm～1.2μm，所述镀铜碳纤维沿纤维轴向上的导热率为915W/(m·K)～965W/(m·K)，所述镀铜碳纤维沿纤维径向上的热导率为140W/(m·K)～175W/(m·K)。4.如权利要求1所述的具有导热各向异性的镀铜碳纤维的制备方法，包括以下步骤：1)取短切碳纤维粗化置于强氧化环境中进行粗化，制备表面粗糙且含有活性基团的碳纤维；2)将步骤1)制备得到的粗化碳纤维置于碱液中，进行中和，以使得纤维裂缝中为中性；3)将步骤2)制备得到的碳纤维原料置于2～5g/ml的氯化亚锡水溶液中；再另加入浓盐酸与氯化钠，其中浓盐酸与氯化纳的体积质量比为：(30～50)ml：(10～12)g，加热至沸腾10～20分钟，进行敏化；4)配制成活化溶液，将步骤3)制备的碳纤维放入活化溶液中，加热至50～60摄氏度，持续10～15分钟，所述活化溶液中氯化钯、水和浓盐酸的质量体积比为(25～35)mg：50ml：(1～2)ml；5)...

【专利技术属性】
技术研发人员：封伟，吕峰，冯奕钰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12