CN109265919B

CN109265919B - 一种3d导热复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN109265919B
Application number: CN201810898017.1A
Authority: CN
Inventors: 李敏; 王绍凯; 方泽农; 顾轶卓; 张佐光
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2038-08-08
Also published as: CN109265919A

Abstract

本发明涉及3D复合材料技术领域，提供了一种3D导热复合材料，包括平面层和垂直植入平面层的导热增强体，所述平面层包括层叠设置的导热膜层，相邻的两层导热膜层由树脂层粘结，所述导热增强体为纤维pin针或金属针，本发明通过在平面层的厚度方向植入导热增强体纤维pin针或金属针，建立了厚度方向的导热通道，利用纤维pin针或金属针的高导热性实现了厚度方向的快速传热，而且平面层由单一的导热膜经树脂粘结构成，实现了复合材料面内温度的快速均一化，同步提高了3D复合材料的面内和厚度热导率。同时，导热增强体纤维pin针或金属针起到了层间增强的作用，提高了层间剪切性能。

Description

一种3D导热复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及3D复合材料技术领域，尤其涉及一种3D导热复合材料及其制备方法。

背景技术

随着电子器件工作功率、集成度、封装密度的不断提高，电子器件单位面积的产热量迅速增大，研究数据表明，电子器件温度每上升10℃，其可靠性和稳定性下降50％，因此，对于电子器件的散热性能的要求也越来越高。

在当前研究阶段，石墨膜、石墨烯膜等碳基高导热膜材料由于其具有质轻、贴覆性好、优良的面内导热性能、耐腐蚀等优点，被广泛应用于电子工业散热领域。但因为石墨膜等碳基高导热膜大都为平面材料，厚度较小，对于其在厚度方向的热导率并没有过多研究和重视，而当石墨膜等碳基高导热膜材料叠加形成3D材料时发现其在厚度方向的热导率较低，面内和厚度方向的传热性能差异性较大，导致复合材料的散热局部差异较大，无法实现各个方向快速平衡的散热，无法满足当前电子器件的高散热性能的要求，而且在采用石墨膜等碳基高导热膜材料制备复合材料时，层间选用的大都是低导热的树脂作为粘结层，进一步阻隔了复合材料在厚度方向的传热性能，因而现有的3D复合材料在厚度方向的散热性能普遍不佳，不能实现面内和厚度方向散热性能的平衡，同时，由于石墨膜等碳基高导热膜材料的表面惰性，其与树脂的界面粘结强度较低，层间剪切强度低，这些都极大的限制了其在电子器件中的广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厚度方向具有较高热导率和层间剪切强度的3D导热复合材料及其制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种3D导热复合材料，其特征在于，包括平面层和垂直植入平面层的导热增强体，所述平面层包括交替层叠设置的导热膜层和树脂层，相邻两层导热膜层由树脂层粘结，所述导热增强体为纤维pin针或金属针。

优选的，所述导热增强体的植入间距为(0，5]mm。

优选的，所述导热增强体的直径为0.5～2mm，长度为0.1～10cm。

优选的，所述导热膜层包括石墨膜、石墨烯膜和碳纳米管膜中的一种或多种。

优选的，所述纤维pin针包括沥青基碳纤维复合材料pin针、PAN基碳纤维复合材料pin针、碳纳米管纤维复合材料pin针和气相生长碳纤维复合材料pin针中的一种或多种。

优选的，所述金属针包括铜针、铝针和银针中的一种或多种。

本发明还提供了上述的3D导热复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将导热膜浸渍树脂胶液后进行多层铺贴、压实得到平面层；

2)将导热增强体垂直植入所述平面层中，固化得到3D导热复合材料。

优选的，所述树脂胶液由包括树脂、固化剂、稀释剂、促进剂、引发剂和填料的混合料液加热制备得到。

优选的，所述填料包括碳纳米管粉末、石墨粉末、石墨鳞片和沥青基短切碳纤维中的一种或多种。

优选的，所述固化的方式包括热压固化、真空袋固化和热压罐固化中的任意一种。

本发明提供了一种3D导热复合材料，包括平面层和垂直植入平面层的导热增强体，所述平面层包括交替层叠设置的导热膜层和树脂层，相邻两层导热膜层由树脂层粘结，所述导热增强体为纤维pin针或金属针。本发明通过在平面层的厚度方向植入导热增强体纤维pin针或金属针，建立了厚度方向的导热通道，消除了由于树脂层的低导热性带来的阻热缺陷，利用纤维pin针或金属针的高导热性实现了厚度方向的快速传热，而且平面层由单一的导热膜经树脂粘结构成，也能实现复合材料面内温度的快速均一化，同步提高了3D复合材料的面内和厚度热导率。同时，导热增强体纤维pin针或金属针起到了层间增强的作用，提高了层间剪切强度。实验结果表明，本发明提供的3D导热复合材料的面内热导率可达到130～180W/mk，厚度方向热导率可达到4～16W/mk，层间剪切强度从原来的最高20MPa提升到了42MPa。

附图说明

图1为本发明3D导热复合材料的结构示意图；

其中，1为导热膜层，2为树脂层，3为导热增强体，4为平面层。

图2为本发明实施例2中3D导热复合材料制备示意图；

图3为本发明实施例2中3D导热复合材料的平面结构图。

具体实施方式

本发明提供了一种3D导热复合材料，包括平面层和垂直植入平面层的导热增强体，所述平面层包括交替层叠设置的导热膜层和树脂层，相邻两层导热膜层由树脂层粘结，所述导热增强体为纤维pin针或金属针。

本发明提供的3D导热复合材料的结构示意图如图1所示，包括平面层4和导热增强体3，所述导热增强体3垂直植入平面层4中，所述相邻导热增强体3之间的间距优选为(0，5]mm，更优选为3mm。在本发明中，导热增强体的间距大小对于其厚度方向的热导率存在一定影响，当导热增强体的间距在(0，3]mm时由于导热增强体过于密集，工艺过程复杂，同时影响复合材料的力学性能以及面内导热性能，超过3mm时，其厚度方向的导热性能存在下降趋势，超出5mm后，热导率下降趋势增大，因此本发明选择的(0，5]mm的导热增强体间距能够使得复合材料的传热性能达到最佳效果。

在本发明中，所述平面层4包括交替层叠设置的导热膜层1和树脂层2，相邻两层导热膜层之间由树脂层进行粘结。在本发明中，所述层叠设置结构的最外层优选为导热膜层。在本发明中，所述交替层叠设置得到的层叠结构优选为导热膜层/树脂层/导热膜层/……/树脂层/导热膜层；在本发明中，所述导热膜层的数量优选为10～50层，更优选为20～30层。本发明对于所述交层叠替设置的具体实施方法没有特殊要求，能够得到本发明的层叠结构即可。

在本发明中，所述导热膜层的尺寸优选为50～200×50～200mm，更优选为100×100mm，所述导热膜层的厚度优选为30～60μm，更优选为40～50μm。在本发明中，所述导热膜层的材质优选包括石墨膜(GS)、石墨烯膜(GNS)和碳纳米管膜的一种或多种；在本发明具体实施例中所述导热膜层优选为石墨膜和/或石墨烯膜，因为石墨膜和石墨烯膜的面内热导率达到1000～2000W/mK，相较于其他材质具有更高的导热性能，能够实现最优的导热效果。

在本发明中，所述树脂层的尺寸优选为50～200×50～200mm，更优选为100×100mm，所述树脂层的厚度优选为10～40μm，更优选为20～30μm。本发明中的树脂层是由树脂胶液固化形成，其主要起粘结固定导热膜层的作用。

在本发明中，所述导热增强体的直径优选为0.1～5mm，更优选为0.2～2mm，长度优选为0.1～5cm，更优选为0.5～1cm。在本发明中，所述导热增强体为纤维pin针或金属针，本发明选择纤维pin针或金属针作为导热增强体能够发挥其轴向高热导率的特性，作为复合材料在厚度方向上的导热通道以大幅提高复合材料整体的厚度热导率。

在本发明中，所述金属针优选为表面附着有高导热材料的金属针，所述高导热材料优选包括碳纳米管、石墨烯、氮化硼、银、铝或铜。在本发明中，所述金属针优选包括铜针、铝针和银针中的一种或多种。本发明对于所述金属针的制备没有特殊限定，采用本领域常规技术制备或市售产品即可，在本发明中，优选以金属材料为原料，采用机械加工的方式制备得到。

在本发明中，所述纤维pin针优选为表面附着有高导热材料的纤维pin针，所述高导热材料优选包括高导热填料或高导热金属；所述高导热填料包括碳纳米管、石墨烯或氮化硼；所述高导热金属优选包括银、铝或铜。本发明优选表面附着有高导热材料的纤维pin针是为了在纤维pin针表面形成高导热涂层，降低界面热阻，进一步提高复合材料的传热性能。

在本发明中，所述纤维pin针包括沥青基碳纤维复合材料pin针、PAN基碳纤维复合材料pin针、碳纳米管纤维复合材料pin针和气相生长碳纤维复合材料pin针中的一种或多种。在本发明中，所述纤维pin针优选采用碳纤维复丝法制备得到，所述碳纤维复丝法具体包括如下步骤：

将树脂、固化剂、稀释剂、促进剂、引发剂和填料混合后加热，得到树脂胶液；

将纤维束浸渍树脂胶液后固化，得到pin针前驱体；

将pin针前驱体裁剪成短棒，一端磨成45°尖角，得到纤维pin针。

本发明将树脂、固化剂、稀释剂、促进剂、引发剂和填料混合后加热，得到树脂胶液；在本发明中，树脂单体分子在稀释剂、固化剂、促进剂、引发剂以及加热的作用下，官能团发生固化交联，逐渐形成大分子树脂，同时，树脂状态从液态变成固态。

在本发明中，所述树脂用量优选为80～120重量份，更优选为100重量份；所述树脂优选包括环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂和氰酸酯树脂中的一种或多种。

在本发明中，以树脂的重量份数为基准，所述固化剂优选为1～30份，更优选为5～20份；在本发明中，所述固化剂优选包括脂肪族胺类、酰胺基胺类和芳族胺类中的一种或多种。

在本发明中，以树脂的重量份数为基准，所述稀释剂优选为1～20份，更优选为5～10份；在本发明中，所述稀释剂优选包括丙酮、苯、甲苯和正丁醇中的一种或多种。

在本发明中，以树脂的重量份数为基准，所述促进剂优选为1～5份，更优选为2～4份；在本发明中，所述促进剂优选包括脂肪胺促进剂、酸酐促进剂和环烷酸钴中的一种或多种。

在本发明中，以树脂的重量份数为基准，所述引发剂优选为1～5份，更优选为2～3份；在本发明中，所述引发剂优选包括有机过氧化物引发剂、无机过氧化物引发剂、偶氮类引发剂中的一种或多种；在本发明中，所述有机过氧化物引发剂优选包括过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酰叔丁酯和过氧化甲乙酮中的一种或多种；在本发明中，所述无机过氧化物引发剂优选包括过氧化氢、过硫酸铵或过硫酸钾中的一种或多种；在本发明中，所述偶氮类引发剂优选包括偶氮二异丁腈(AIBN)、偶氮二异庚腈(ABVN)、偶氮二异丁脒盐酸盐(AIBA)和偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐(AIBI)中的一种或多种。

在本发明中，以树脂的重量份数为基准，所述填料优选为1～5份，更优选为2～4份；在本发明中，所述填料优选包括碳纳米管粉末、石墨粉末、石墨鳞片和沥青基短切碳纤维中的一种或多种。

在本发明中，所述混合优选在搅拌条件下进行，本发明对于搅拌的速率和时间没有特殊要求，能够使原料组分混合均匀即可；在本发明中，所述加热优选在真空条件下进行，所述加热的温度优选为20～120℃，更优选为50～100℃，所述加热的时间优选为5～60min，更优选为10～30min；所述真空条件的压力优选为0.01～0.5MPa，更优选为0.05～0.1MPa。

得到树脂胶液后，本发明优选将纤维束浸渍树脂胶液得到浸渍纤维束。在本发明中，所述纤维束优选包括沥青基碳纤维、PAN基碳纤维、碳纳米管纤维和气相生长碳纤维中的一种或多种，本发明提供的纤维束均为高模纤维，采用常规的拉挤工艺进行制备，会造成大量的断丝，制备得到的pin针产品质量低，导热性差，产品合格率不高，而采用碳纤维复丝法能够解决上述缺陷，提高pin针的产品质量和成品率。本发明对于浸渍方式和时间没有特殊要求，以纤维束充分浸润树脂为标准。

得到浸渍纤维束后，本发明优选将浸渍纤维束缠绕固定在铁架上，放入烘箱中进行固化得到纤维pin针前驱体。在本发明中，所述固化温度优选为120～150℃，更优选为130～140℃，所述固化时间优选为10～30min，更优选为15～20min。本发明对于固化的操作没有特殊要求，采用本领域常规的固化技术即可，本发明固化的目的是使得纤维束和树脂成为一个固态的有机整体，确保纤维的平直单向性以提高纤维pin针的导热性能。

得到纤维pin针前驱体后，本发明优选在纤维pin针前驱体表面附着高导热材料得到表面附着有高导热材料的纤维pin针前驱体；在本发明中，所述高导热材料包括高导热填料和高导热金属；在本发明中，所述高导热填料包括碳纳米管、石墨烯或，所述高导热金属也优选包括银、铝或铜。在本发明中，所述附着方式优选包括喷涂或喷镀的方式。在本发明具体实施过程中，优选将高导热填料分散液喷涂在纤维pin针前驱体表面，待溶液挥发后成型制备得到表面附着有高导热填料的纤维pin针前驱体，所述分散液中高导热填料的浓度为3～10w％，更优选为5wt％。在本发明具体实施例中，优选将高导热金属直接喷镀在在纤维pin针前驱体表面制备得到表面附着有高导热金属的纤维pin针前驱体。

得到表面附着有高导热材料的纤维pin针前驱体后，本发明优选将纤维pin针前驱体裁剪成短棒，一端磨成45°尖角，得到所需纤维pin针。在本发明中，所述短棒的长度要求高于pin针实际长度，便于植入平面层后的修剪和固定。

本发明还提供了上述3D导热复合材料的制备方法，包括如下步骤：

2)将导热增强体植入平面层中，固化得到3D导热复合材料。

本发明将导热膜浸渍树脂胶液后进行多层铺贴、压实得到平面层。

本发明对于树脂胶液的来源没有特殊要求，采用本领域常规的市售树脂胶液即可。在本发明中，所述树脂胶液体优选由包括树脂、固化剂、稀释剂、促进剂、引发剂和填料的混合料加热制备得到。本发明对于所述树脂、固化剂、稀释剂、促进剂、引发剂和填料及其用量的选择从前述碳纤维复丝法制备纤维pin针的技术方案中选取即可，本发明对于所述混合和加热过程的工艺限定从前述碳纤维复丝法制备纤维pin针的技术方案中选取即可，在此不再复述。

在本发明中，所述多层铺贴的层数优选为10～50层，更优选为20～30层；本发明对铺贴层数的限定是考虑到层数不同复合材料最终的厚度不同，而目前的测试方法对于样品厚度有一定的范围要求，太薄制备上操作有难度，太厚会超出测量范围。在本发明中，所述压实优选在真空条件下进行，所述真空条件的压力优选为0.05～0.1MPa，更优选为0.08～0.1MPa；本发明对于所述压实的具体实施方法没有特殊要求，采用本领域常规的压实技术方案即可。

本发明优选在浸渍前对导热膜进行热处理。在本发明中，所述热处理的温度优选为40～60℃，更优选为45～50℃，所述热处理的时间优选为30～60min，更优选为40～50min。在本发明中，所述热处理设备优选为的烘箱，热处理工艺没有特殊限定。本发明对导热膜进行热处理的目的在于去除导热膜在空气中放置时吸附的水蒸气，同时使基体树脂更好地浸润在导热膜表面，减小导热膜与基体树脂间的界面热阻，提高复合材料的整体导热性能。

得到平面层后，本发明将导热增强体植入平面层中，固化得到3D导热复合材料。在本发明中，所述导热增强体和平面层的限定从上述方案中选取即可，在此不再复述。

在本发明中，所述垂直植入的方式优选包括如下步骤：将导热增强体尖角朝上等间距置于铝板中，将平面层放置在导热增强体尖角上，在平面层上放置硬质泡沫，对硬质泡沫加压使得导热增强体垂直刺穿平面层。在本发明中，所述加压的速率优选为0.01～0.02MPa/min，所述加压时间优选为10～30min，本发明加压的目的是使得导热增强体在刺穿平面层的同时保证平面层的紧密结合；在本发明中，所述铝板的尺寸优选为50～200mm×50～200mm，更优选为100mm×100mm；所述铝板内含等间距的小孔方阵，所述小孔方阵用于放置导热增强体；在本发明中，所述小孔方阵的间距优选为(0，5]，更优选为[3，5]mm；在本发明实施例中具体优选为3mm和5mm。

在本发明中，所述固化的方式优选包括热压固化、真空袋固化和热压罐固化中的任意一种；本发明对于热压固化、真空袋固化或热压罐固化的具体实施方法没有特殊要求，采用本领域常规的热压固化、真空袋固化或热压罐固化的方法即可。

在本发明中，所述热压固化的压力优选为1.5～2.5MPa，更优选为2.0MPa；所述热压固化的温度优选为120～250℃，更优选为140～240℃；所述热压固化的时间优选为1～10h，更优选为4～8h。本发明采用热压的方式进行固化，是为了使得导热增强体表面的树脂胶液固化连接平面层，防止导热增强体的脱落和植入后空隙的生成，降低热扩散，提高厚度方向传热通道的稳定性。

在本发明中，所述热压优选包括依次进行的第一热压、第二热压、第三热压和第四热压；在本发明中，所述第一热压的温度优选为120～140℃，所述第一热压的时间优选为0.5～1h；所述第二热压的温度优选为160～180℃，所述第二热压的时间优选为1～2h；所述第三热压的温度优选为200～220℃，所述第三热压的时间优选为2～3h；所述第四热压的温度优选为220～240℃，所述第四热压的时间优选为0.5～1h。本发明设置第二热压的温度为160～180℃，是因为胶导热增强体pin针表面树脂胶液凝胶点在160～180℃附近，能够促进树脂的液化，然后在第三热压中的稳定压力和200～220℃的高温下实现固化效果。

在本发明中，所述热压优选在硫化台中进行，本发明对于硫化台没有特殊限定，采用本领域常规硫化台设备即可。本发明对于所述热压的具体操作方式没有特殊要求，采用本领域常规技术即可。

在本发明中，当采用真空袋固化的方式时，所述真空袋固化的真空度参数优选为0.05～0.1MPa，更优选为0.06～0.08MPa，所述真空袋固化的温度优选为100～140℃，更优选为120℃，所述真空袋固化的时间优选为1～10h，更优选为3～5h。

在本发明中，当采用热压罐固化的方式时，所述热压罐固化的压力参数优选为0.5～1.0MPa，更优选为0.6～0.8MPa，所述热压罐固化的温度参数优选为100～140℃，更优选为120℃，所述热压罐固化的时间参数优选为1～10h，更优选为3～5h。

下面结合实施例对本发明提供的3D导热复合材料及其制备方法与应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

裁剪100×100mm规格石墨膜(GS)20张，置于烘箱中60℃热处理30min，备用。

配置树脂胶液：在100重量份的环氧树脂中加入30重量份的脂肪族胺类固化剂、20重量份的丙酮稀释剂、5重量份的脂肪胺促进剂、5重量份的过氧化苯甲酰引发剂，5重量份碳纳米管粉末，在0.1MPa真空压力、120℃温度下搅拌10min。

将M55J碳纤维束浸渍到树脂胶液中，待充分浸润后，将其缠绕固定在铁架上，放入烘箱中在150℃温度下固化10min得到纤维pin针前驱体；在纤维pin针前驱体表面喷涂质量分数为0.5wt％碳纳米管分散液，待溶液挥发后，裁剪成长为1cm的短棒，并将一端磨成45°尖角，得到M55J碳纤维复合材料pin针。

将20层石墨膜浸渍树脂胶液后进行层层铺贴，抽真空预压实30min得到平面层，将M55J碳纤维复合材料pin针(尖角朝上)放入到内含间距3mm和5mm小孔方阵的铝板中，将平面层放置在pin针尖角之上，其上放置硬质泡沫进行挤压，使得pin针刺穿平面层，在120℃、0.05MPa条件下采用真空袋工艺进行固化3h，得到增强体间距分别为3mm和5mm的3D导热复合材料。

对比例1

本对比例的方案与实施例1基本相同，区别在于没有在平面层中植入导热增强体M55J碳纤维复合材料pin针。

对本发明实施例1和对比例1中制备的复合材料进行厚度、面内热导率和层间剪切性能测试，结果如表1所示：

表1为实施例1和对比例1复合材料厚度方向和面内热导率以及层间剪切强度性能

对表1进行分析可以得出：

由实施例1中数据对比可知：导热增强体间距为3mm时复合材料的厚度热导率是高于间距为5mm的；

由实施例1和对比例1中数据对比可知，导热增强体M55J碳纤维复合材料pin针的植入能够显著提高复合材料的面内和厚度热导率以及层间剪切强度。

实施例2

裁剪100×100mm规格石墨膜(GS)15张，置于烘箱中60℃热处理30min，备用。

配置树脂胶液：在100重量份的双马来酰亚胺树脂中加入20重量份的酰胺基胺类固化剂、10重量份的苯稀释剂、3重量份的酸酐促进剂、3重量份的过硫酸铵引发剂，3重量份石墨粉末，在0.05MPa真空压力、100℃温度下搅拌15min。

将XN-90-60S沥青基碳纤维束浸渍到树脂胶液中，待充分浸润后，将其缠绕固定在铁架上，放入烘箱中在150℃温度下固化10min得到pin针前驱体；在纤维pin针前驱体表面喷涂质量分数为0.5wt％石墨烯分散液，待溶液挥发后，裁剪成长为0.5cm的短棒，并将一端磨成45°尖角，得到XN-90-60S沥青基碳纤维复合材料pin针。

将15层石墨膜浸渍树脂胶液后进行层层铺贴，抽真空预压实20min得到平面层，将XN-90-60S沥青基碳纤维复合材料pin针(尖角朝上)放入到内含间距3mm和5mm小孔方阵的铝板中，将平面层放置在pin针尖角之上，其上放置硬质泡沫进行挤压，使得pin针刺穿平面层；在硫化台上设置加压至2.5MPa，设置140℃1h+170℃2h+220℃3h+250℃2h的升温方式进行热压处理，得到增强体间距分别为3mm和5mm的3D导热复合材料。

本实施例制备得到的3D复合材料的平面图如图3所示；其中图3中黑色圆形部分为纤维pin针，灰色部分为石墨膜。

对比例2

本对比例的方案与实施例2基本相同，区别在于没有在平面层中植入导热增强体XN-90-60S沥青基碳纤维复合材料pin针。

对本发明实施例2和对比例2中制备的复合材料进行厚度、面内热导率和层间剪切性能测试，结果如表2所示：

表2为实施例2和对比例2复合材料厚度方向和面内热导率和层间剪切性能

对表2进行分析可以得出：

由实施例2中数据对比可知：导热增强体间距为3mm时复合材料的厚度热导率是高于间距为5mm的；

由实施例2和对比例2中数据对比可知，导热增强体XN-90-60S沥青基碳纤维复合材料pin针的植入能够显著提高复合材料的面内和厚度热导率以及层间剪切强度。

实施例3

裁剪100×100mm规格石墨膜(GS)20张，置于烘箱中50℃热处理60min，备用。

配置树脂胶液：在100重量份的聚酰亚胺树脂中加入10重量份的芳族胺类固化剂、5重量份的甲苯稀释剂、1重量份的环烷酸钴促进剂、2重量份的AIBN引发剂，4重量份石墨鳞片，在0.1MPa真空压力、50℃温度下搅拌30min。

采用机加工的方式制备直径为1mm，长度为1cm，一端成45°尖角的铜针，在铜针表面喷涂一层氮化硼，待用。

将20层石墨膜浸渍树脂胶液后进行层层铺贴，抽真空预压实30min得到平面层，将铜针(尖角朝上)放入到内含间距3mm和5mm小孔方阵的铝板中，将平面层放置在铜针尖角之上，其上放置硬质泡沫进行挤压，使得铜针刺穿平面层，在120℃、0.05MPa条件下采用真空袋工艺进行固化3h，得到增强体间距分别为3mm和5mm的3D导热复合材料。

对比例3

本对比例的方案与实施例3基本相同，区别在于没有在平面层中植入导热增强体铜针。

对本发明实施例3和对比例3中制备的复合材料进行厚度方向和面内热导率测试，结果如表3所示：

表3为实施例3和对比例3复合材料厚度方向和面内热导率

对表3进行分析可以得出：

由实施例3中数据对比可知：导热增强体间距为3mm时复合材料的厚度热导率是高于间距为5mm；

由实施例3和对比例3中数据对比可知，导热增强体铜针的植入能够显著提高复合材料的面内和厚度热导率。

实施例4

裁剪50×50mm规格石墨膜(GS)20张，置于烘箱中50℃热处理45min，备用。

配置树脂胶液：在120重量份的氰酸酯树脂中加入20重量份的酰胺基胺类固化剂、10重量份的正丁醇稀释剂、5重量份的环烷酸钴促进剂、5重量份的AIBA引发剂，5重量份沥青基短切碳纤维，在0.05MPa真空压力、100℃温度下搅拌20min。

将XN-90-60S沥青基碳纤维束浸渍到树脂胶液中，待充分浸润后，将其缠绕固定在铁架上，放入烘箱中在150℃温度下固化10min得到pin针前驱体；在纤维pin针前驱体表面喷镀20μm厚度的银涂层，将前驱体裁剪成长为0.5cm的短棒，并将一端磨成45°尖角，得到XN-90-60S沥青基碳纤维复合材料pin针。

将20层石墨膜浸渍树脂胶液后进行层层铺贴，抽真空预压实30min得到平面层，将XN-90-60S沥青基碳纤维复合材料pin针(尖角朝上)放入到内含间距3mm和5mm小孔方阵的铝板中，将平面层放置在pin针尖角之上，其上放置硬质泡沫进行挤压，使得pin针刺穿平面层，在120℃、0.6MPa条件下采用热压罐工艺进行固化3h，得到增强体间距分别为3mm和5mm的3D导热复合材料。

对比例4

本对比例的方案与实施例4基本相同，区别在于没有在平面层中植入导热增强体XN-90-60S沥青基碳纤维复合材料pin针。

对本发明实施例4和对比例4中制备的复合材料进行厚度方向和面内热导率测试，结果如表4所示：

表4为实施例4和对比例4复合材料厚度方向和面内热导率

对表4进行分析可以得出：

由实施例4中数据对比可知：导热增强体间距为3mm时复合材料的厚度热导率是高于间距为5mm；

由实施例4和对比例4中数据对比可知，导热增强体XN-90-60S沥青基碳纤维复合材料pin针的植入能够显著提高复合材料的面内和厚度热导率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种3D导热复合材料，其特征在于，包括平面层和垂直植入平面层的导热增强体，所述平面层包括交替层叠设置的导热膜层和树脂层，相邻两层导热膜层由树脂层粘结，所述导热增强体为纤维pin针或金属针；所述导热增强体的植入间距大于0，小于等于5mm；所述导热增强体的直径为0.5～2mm，长度为0.1～10cm；所述导热膜层包括石墨膜、石墨烯膜和碳纳米管膜中的一种或多种；所述纤维pin针包括沥青基碳纤维复合材料pin针、PAN基碳纤维复合材料pin针、碳纳米管纤维复合材料pin针和气相生长碳纤维复合材料pin针中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的3D导热复合材料，其特征在于，所述金属针包括铜针、铝针和银针中的一种或多种。

3.权利要求1～2任意一项所述的3D导热复合材料的制备方法，包括如下步骤：1)将导热膜浸渍树脂胶液后进行多层铺贴、压实得到平面层；2)将导热增强体垂直植入所述平面层中，固化得到3D导热复合材料。

4.根据权利要求3所述的3D导热复合材料的制备方法，其特征在于，所述树脂胶液由包括树脂、固化剂、稀释剂、促进剂、引发剂和填料的混合料液加热制备得到。

5.根据权利要求3所述的3D导热复合材料的制备方法，其特征在于，所述固化的方式包括热压固化、真空袋固化和热压罐固化中的任意一种。