碳纖維增強復合材料(CFRP)因其輕質(zhì)、高比強、高比剛及易加工等優(yōu)點，在航空航天、文體器材、汽車、能源、通信等領(lǐng)域得到廣泛應用。5G時代電子設(shè)備集成度和工作頻率日益提高，加之飛行器飛行速度不斷提高的發(fā)展趨勢，導致更多冗余熱量的產(chǎn)生，隨之而來的過熱使役環(huán)境給設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性帶來了巨大挑戰(zhàn)，對材料的導熱性能提出了更高的要求。因此，高導熱、高性能碳纖維(CF)及其復合材料的應用對設(shè)備輕量化、穩(wěn)定性和熱失效風險的避免具有重要意義。
中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所碳纖維及其復合材料團隊在張永剛研究員帶領(lǐng)下開展了聚丙烯腈(PAN)基高強高模碳纖維國產(chǎn)化技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作，總結(jié)出了誘導三維有序石墨結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵技術(shù)(Journal of Raman Spectroscopy, 2019, 50, 655; Composites Part B: Engineering, 2019, 164, 476; Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2019, 119, 21等)，這為高導熱高性能碳纖維的制備和生產(chǎn)提供了理論指導。針對碳纖維復合材料受高熱阻樹脂基體阻隔及碳纖維各項異性影響所致的厚度方向?qū)嵯禂?shù)較低的問題(一般不超過1 W/(m·K))，團隊利用剛性棒狀聚合物聚對苯撐苯并雙噁唑(PBO)更易石墨化的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了復合基碳纖維的制備策略，得到了具有更高取向度、結(jié)晶度的PBO衍生石墨結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對高導熱碳纖維及其復合材料的制備至關(guān)重要。
首先，受同軸纖維策略啟發(fā)，團隊利用碳纖維表面改性技術(shù)，以氧化石墨烯(GO)作為接枝橋梁，在碳纖維表面均勻接枝高取向度和結(jié)晶度的PBO層；再通過進一步石墨化，制備了同軸的PAN/PBO復合基碳纖維(其形貌如圖1所示)。所得單向PAN/PBO-CF環(huán)氧樹脂基復合材料的面內(nèi)導熱系數(shù)提高50%以上，達到82.86 W/(m·K)；厚度方向?qū)嵯禂?shù)的提高率可達137%，導熱系數(shù)達2.54 W/(m·K)。復合基碳纖維仍能保持良好的力學性能，其拉伸強度及模量可分別達4.58 GPa和448 GPa。相關(guān)成果以“Enhanced both in-plane and through-thickness thermal conductivity of carbon fiber/epoxy composites by fabricating high thermal conductive coaxial PAN/PBO carbon fibers”為題發(fā)表于Composites Part B: Engineering, 2022,229: 109468。
為進一步提升單向碳纖維復合材料的厚度方向?qū)嵯禂?shù)，團隊人員在PAN基碳纖維表面構(gòu)建了三維雜化導熱結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了單向碳纖維復合材料導熱性能的連續(xù)突破。首先采用電沉積的方法在碳纖維表面生長鎳/碳納米管(Ni/CNT)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以其為接枝橋梁并借助冷凍干燥技術(shù)在碳纖維表面生長三維取向的PBO/GO層，再經(jīng)高溫石墨化獲得具有三維高導熱結(jié)構(gòu)的復合基碳纖維(見圖2)。以其作為增強體，環(huán)氧樹脂復合材料的全厚度導熱系數(shù)提高至5.39 W/(m·K)，解決了單向碳纖維復合材料全厚度方向?qū)嵯禂?shù)低的問題，為高性能碳纖維復合材料作為熱界面材料提供了更多可能。通過Agari理論計算模擬得到碳纖維的徑向?qū)嵯禂?shù)高達66.57 W/(m·K)，與原PAN基碳纖維(2.51 W/(m·K))相比有了質(zhì)的飛躍，并驗證了三維導熱結(jié)構(gòu)更易于復合材料內(nèi)部導熱通路的形成，側(cè)面印證了復合材料內(nèi)部的熱傳導依賴于豐富的導熱通道(圖3)。相關(guān)成果以“Thermal conductivity enhancement of carbon fiber/epoxy composites via constructing three-dimensionally aligned hybrid thermal conductive structures on fiber surfaces”為題發(fā)表于Composites Science and Technology,2023,231:109800。本研究得到了浙江省重點研發(fā)計劃(2021C01004)、寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(2019B10091)、寧波市自然科學基金重點項目(202003N4027)等項目的支持。
圖3 PAN-CF、CF-Ni/CNT、CNC@PG-G及其復合材料的導熱性能
