一种碳纤维圆桶复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维圆桶复合材料及其制备方法，本发明专利技术利用液相分散浸渍快速得到短切碳纤维基分散浸渍液，然后通过预成毡

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维圆桶复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及碳纤维复合热场材料
，具体涉及一种碳纤维圆桶复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]现阶段半导体长晶炉特别是第三代半导体长晶炉(如碳化硅长晶炉)主要在在2300度的高温条件下进行长晶，且主流长晶炉采用电磁加热的方式进行加热，这就要求热场保温材料的导电性不能太高，以避免因为导电性好而产生的热场自加热现象。现阶段半导体长晶炉主要采用碳纤维复合材料作为热场保温材料，而碳纤维复合热场材料主要包括长碳纤维热场保温材料和短切碳纤维热场保温材料，长碳纤维热场保温材料由于其较长的长碳纤维容易形成导电通路而容易发生自加热现象，所以现阶段主要使用短切碳纤维热场保温材料作为半导体长晶炉的热场保温材料。
[0003]短切碳纤维热场保温材料要求其具有较低的密度，以保证较好的保温性能，同时具有适宜的电阻率，从而避免电磁自加热现象。这就要求短切碳纤维热场保温材料中碳纤维要形成具有特定结构的三维组成结构，以达到低密度、低导热系数(高保温性能)、适宜的电阻率的目的。实践检验表明短切碳纤维的排列方向垂直于传热方向时保温性能最好，即碳纤维形成具有一定的三维层状结构(即纤维在层状面内排布，而在层间的纤维很少的时候)最有利于形成较好的保温材料。而现阶段短切碳纤维热场保温材料在成型的过程中，主要采用湿法成型，即短切碳纤维液相分散和浸渍
‑
过滤/压制成型
‑
固化
‑
高温碳化和石墨化
‑
高温/化学纯化。主要存在以下几个问题：(1)湿法成型过程中，短切碳纤维容易形成三维各向同性的结构，保温性能较差；(2)在成型过程中，即使通过压制方法，可以制备具有一定层状结构的保温板材，但在制备圆桶形热场保温材料时，由于压制方向的原因，碳纤维仍会有一部分沿着热场传递方向排布，造成制备的圆桶热场材料的保温性能较差；(3)在热固化过程中，制备圆桶热场材料时，由于是桶形结构，尺寸复杂，容易热的作用，很容易发生流胶现象，最终导致制备的热场保温材料密度不均匀，保温性能不均一；(4)在高温碳化和石墨化过程中，由于在固化过程中的树脂胶黏剂分布不均匀，很容易发生碳化收缩不均匀现象，很容易发生应力开裂；(5)高温/化学纯化过程中，国内厂家几乎全部使用高温纯化的方法进行纯化，存在着能耗高，纯化效率低的问题，本公司采用高温化学纯化的进行纯化；(6)短切碳纤维热场保温材料添加的黏结剂太多，最终造成黏结碳过量，最终形成的碳纤维热场材料导电性太高，容易发生电磁自加热现象，因此树脂黏结剂的用量不能太高，另外，短切碳纤维热场保温材料要具有较低的密度，以避免电磁自加热现象；(7)湿法成型过程中，短切碳纤维在水溶液中进行浸渍，然后通过压制或者抽真空的方式制备成桶形结构复合材料，在固化前需要进行干燥处理，处理时间较长，参与的溶剂也会造成后续固化时间要较长，能耗高、效率低。
[0004]短切碳纤维复合热场材料在制备过程中出现的各向同性问题、纤维方向问题、流胶问题造成的材料不均匀问题、应力问题导致材料高温开裂问题、纯化问题、能耗高、效率
低，以及电磁自加热问题均会影响到短切碳纤维复合热场材料在半导体领域的应用，亟待新材料和新方法来解决。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有材料和制备方法的不足之处，提供一种密度小、保温性能好、电阻率适宜、纯度高的碳纤维圆桶复合材料。
[0006]本专利技术的另一目的在于提出一种制备工艺简单快速的高效制备碳纤维圆桶复合材料的方法。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下所述：
[0008]一种碳纤维圆桶复合材料，所述碳纤维圆桶复合材料通过以下制备方法制备得到：首先，利用液相分散浸渍快速得到短切碳纤维基分散浸渍液，然后通过预成毡
‑
过滤成网、烘干、辊压成毡工艺制备得到预成毡，后通过圆桶预成毡缠绕成型、红外加热固化、碳化和化学纯化过程制备得到碳纤维圆桶复合材料。
[0009]所述碳纤维圆桶复合材料的密度为0.07
‑
0.15g/cm3，导热系数0.055
‑
0.12W/(mK)，电阻率80
‑
180mΩ
·
cm，杂质含量＜1.8ppm。
[0010]制备上述碳纤维圆桶复合材料的原材料组成及其质量份数包括：
[0011]短切碳纤维：100份
[0012]纤维素纤维：10
‑
30份
[0013]黏度调节剂：10
‑
20份
[0014]水溶性酚醛树脂：100
‑
500份
[0015]水性胶黏剂：10
‑
30份
[0016]蒸馏水：1000
‑
10000份。
[0017]所述短切碳纤维选自丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维或沥青基碳纤维中的一种或几种。所述短切碳纤维经过快速切割辊刀切割后得到。
[0018]所述短切碳纤维的直径为6
‑
8um，长度为1
‑
10mm。
[0019]所述的纤维素纤维选自竹纤维、棉纤维、木纤维、甘蔗纤维或芦苇纤维中的一种或几种。
[0020]加入的纤维素纤维填充至短切碳纤维间，在后续碳化过程中裂解可形成孔隙，可降低最终碳纤维圆桶复合材料的密度，改善复合材料的保温性能。
[0021]同时加入纤维素纤维可支撑短切碳纤维，在碳化过程中不容易发生塌缩，减少固化产物的内应力。
[0022]所述纤维素纤维的大小为300
‑
500目，金属元素含量小于10ppm。
[0023]所述黏度调节剂为水溶性聚合物，具体选自胶原蛋白类、所述黏度调节剂为水溶性聚合物，选自胶原蛋白类、聚多糖类聚合物、改性纤维素或改性淀粉中的一种或几种。
[0024]所述水溶性酚醛树脂是稀释的水溶性酚醛树脂，固含量为50
‑
75％，碱金属等杂质含量<200ppm。
[0025]水溶性酚醛树脂能够粘结短切碳纤维和其它材料，在固化过程中形成树脂粘结网络，经高温碳化和石墨化后形成碳粘结网络，起到支撑短切碳纤维的作用，使得短切碳纤维形成一个具有一定强度的固体复合材料。同时也形成一个导电网络通路。
[0026]所述水性胶黏剂选自聚乙烯醇类水性胶黏剂、丙烯酸类水性胶黏剂、乙烯乙酸酯类水性胶黏剂、环氧水性胶黏剂、橡胶类水性胶黏剂、聚氨酯类水性胶黏剂、酚醛水性胶黏剂或有机硅类水性胶黏剂中的一种或几种。
[0027]水性胶黏剂可在过滤烘干过程中(酚醛树脂固化前)粘结碳纤维等材料，同时可以在酚醛树脂固化过程中起到一定的黏结作用，阻止酚醛树脂的流动，防止流胶现象，使得固化产物均匀，使后续碳化过程中不容易出现应力开裂现象。
[0028]本专利技术的另一目的在于提供一种制备密度低、纯度高、隔热保温性能好、电阻率适中的碳纤维圆桶复合材料的方法。
[0029]一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维圆桶复合材料，其特征在于，所述碳纤维圆桶复合材料通过以下制备方法制备得到：首先，利用液相分散浸渍快速得到短切碳纤维基分散浸渍液，然后通过预成毡
‑
过滤成网、烘干、辊压成毡工艺制备得到预成毡，后通过圆桶预成毡缠绕成型、红外加热固化、碳化和化学纯化过程制备得到碳纤维圆桶复合材料。2.根据权利要求1所述的碳纤维圆桶复合材料，其特征在于，所述碳纤维圆桶复合材料的密度为0.07
‑
0.15g/cm3，导热系数0.055
‑
0.12W/(mK)，电阻率80
‑
180mΩ
·
cm，杂质含量≤1.8ppm。3.根据权利要求1或2所述的碳纤维圆桶型复合材料，其特征在于，制备碳纤维圆桶复合材料的原材料组成及其质量份数包括：短切碳纤维：100份纤维素纤维：10
‑
30份黏度调节剂：10
‑
20份水溶性酚醛树脂：100
‑
500份水性胶黏剂：10
‑
30份蒸馏水：1000
‑
10000份。4.根据权利要求3所述的碳纤维圆桶复合材料，其特征在于，所述短切碳纤维选自丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维或沥青基碳纤维中的一种或几种，所述短切碳纤维的直径为6
‑
8um，长度为1
‑
10mm；所述的纤维素纤维选自竹纤维、棉纤维、木纤维、甘蔗纤维或芦苇纤维中的一种或几种，所述纤维素纤维的大小为300
‑
500目，金属元素含量小于10ppm；所述黏度调节剂为水溶性聚合物，选自胶原蛋白类、聚多糖类聚合物、改性纤维素或改性淀粉中的一种或几种；所述水溶性酚醛树脂是稀释后的水溶性酚醛树脂，固含量为50
‑
75％，碱金属等杂质含量<200ppm；所述水性胶黏剂为聚乙烯醇类水性胶黏剂、丙烯酸类水性胶黏剂、乙烯乙酸酯类水性胶黏剂、环氧水性胶黏剂、橡胶类水性胶黏剂、聚氨酯类水性胶黏剂、酚醛水性胶黏剂或有机硅类水性胶黏剂。5.权利要求1
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑛，相利学，代旭明，唐波，
申请(专利权)人：湖州幄肯中欣新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：