背景介绍
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成果掠影
近日，北京化工大学于中振、李晓锋、刘骥团队通过构建一种致密的互连填料框架，将垂直碳纤维阵列与高质量自组装石墨烯网络焊接，实现了超高导热环氧树脂复合材料的制备。研究团队利用中间相沥青基碳纤维阵列与自组装石墨烯网络的协同作用，构建致密的互连填料框架，以显著提升复合材料导热性能。其中垂直排列的连续导热纤维阵列作为主要的垂直导热路径，最大限度地减少声子散射和界面热阻。同时，自组装石墨烯次级网络在导热纤维之间形成高质量连接，构建更致密的热传导网络，并提供额外导热通路。在23.3%填充量下，该环氧树脂复合材料的垂直导热系数达到262W/mK。作为热界面材料使用时，其冷却效率比商用标准材料提升68.2%。此外，该材料还具备优异的焦耳加热和界面粘附性能，适用于复杂环境下的热界面愈合和多功能热管理。研究成果以“Densifying Conduction Networks of Vertically Aligned Carbon Fiber Arrays with Secondary Graphene Networks for Highly Thermally Conductive Polymer Composites”为题发表于《Advanced Functional Materials》期刊。03
图文导读
图1.（a） 示意图展示了垂直排列的G/CF多孔框架及其环氧复合材料的制备过程；（b） G/CF框架的顶视图和侧视图结构的示意图；（c）5G/CF/EP复合材料顶面和截面的XRD图谱（插图显示了入射X射线的方向）；（d、e）2RGO/CF框架的扫描电子显微镜（SEM）图像；（f、g） 5RGO/CF框架的SEM图像；（h、i） 8RGO/CF框架的SEM图像，以及（j、k）5G/CF/EP复合材料的SEM图像。
图2.（a） GO（氧化石墨烯）、CF（碳纤维）、5RGO/CF框架和5G/CF框架的XRD图谱；（b）拉曼光谱；（c） ID/IG值；（d）d) 5RGO/CF和5G/CF框架的XPS光谱；（e） 5RGO/CF和5G/CF框架的C1s XPS光谱；（f）环氧树脂、CF/EP和G/CF/EP复合材料的TGA曲线。
图3.（a）示意图展示了G/CF/EP复合材料及其对照材料的热传导机制：CF/EP（模型I）、G/CF/EP（模型II）和G/sCF/EP（模型III）复合材料；（b）8G/EP、CF/EP和G/CF/EP复合材料的平面外热导率；（c） 将G/CF/EP复合材料的平面外热导率与文献结果进行比较；（d）G/CF/EP和G/sCF/EP复合材料的热导率；（e）8G/EP、CF/EP和G/CF/EP复合材料的平面内热导率；（f）G/CF/EP复合材料的导热性各向异性（⊥/∥）和平面外热导率提升与GO浓度的关系图；（g）使用Foygel模型计算的值和骨架的热导率；（h） CF/EP和i) G/CF/EP复合材料的仿真模型和计算出的瞬态温度分布；（j）不同温度下G/CF/EP复合材料的平面外热导率。
图4.（a）用于展示沿平面外方向热传导能力的测试系统配置；（b）加热过程中和（c） 冷却过程中的表面温度演变，以及（d、e）对应的红外图像；（f）显示将LED芯片与5G/CF/EP复合材料作为TIM集成的照片；（g）示意图展示了使用G/CF/EP复合材料作为TIM来桥接LED芯片和散热器之间的间隙；（h）对应的冷却系统中的详细热传导路径视图；（i）LED芯片的温度演变和（j） 不同TIMs下LED芯片的稳态温度与功率密度关系图。
图5.（a）示意图展示了复合材料的焦耳热机制；（b）不同施加电压下复合材料的照片和红外图像；（c）5G/CF/EP和（d）CF/EP的对应时间依赖温度曲线；（e）示意图展示了用环氧粘合剂加固的断裂金属接头以及强粘附性的机制；（f）用5G/CF/EP粘合剂粘合的铝棒的图片；（g）用502胶水、EP、5G/sCF/EP和5G/CF/EP修复的铝棒的剪切应力-应变曲线；（h）使用5G/sCF/EP和5G/CF/EP修复的铝和不锈钢接头的剪切强度；（i）数字和红外图像显示了完整铝棒（1）和使用5G/CF/EP（2）和5G/sCF/EP（3）修复的铝棒的温度变化，以及对应的温度演变曲线（j）。
