碳纖維增強複合材料（CFRP）因其輕質、高比強、高比剛及易加工等優點，在航空航天、文體器材、汽車、能源、通信等領域得到廣泛應用。5G時代電子設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展趨勢，導致更多冗餘熱量的產生，隨之而來的過熱使役環境給設備的安全性和穩定性帶來了巨大挑戰，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）及其複合材料的應用對設備輕量化、穩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與工程研究所碳纖維及其複合材料團隊在張永剛研究員帶領下開展了聚丙烯腈（PAN）基高強高模碳纖維國產化技術的基礎研究工作，總結出了誘導三維有序石墨結構形成的關鍵技術（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製備和生產提供了理論指導。針對碳纖維複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導熱係數較低的問題（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並雙噁唑（PBO）更易石墨化的結構特點，設計了複合基碳纖維的製備策略，得到了具有更高取向度、結晶度的PBO衍生石墨結構，該結構對高導熱碳纖維及其複合材料的製備至關重要。
首先，受同軸纖維策略啟發，團隊利用碳纖維表面改性技術，以氧化石墨烯（GO）作為接枝橋樑，在碳纖維表面均勻接枝高取向度和結晶度的PBO層；再通過進一步石墨化，製備了同軸的PAN/PBO複合基碳纖維（其形貌如圖1所示）。所得單向PAN/PBO-CF環氧樹脂基複合材料的面內導熱係數提高50%以上，達到82.86 W/(m·K)；厚度方向導熱係數的提高率可達137%，導熱係數達2.54 W/(m·K)。複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」為題發表於Composites Part B: Engineering, 2022,229: 109468。
為進一步提升單向碳纖維複合材料的厚度方向導熱係數，團隊人員在PAN基碳纖維表面構建了三維雜化導熱結構，實現了單向碳纖維複合材料導熱性能的連續突破。首先採用電沉積的方法在碳纖維表面生長鎳/碳納米管（Ni/CNT）交聯網絡，以其為接枝橋樑並藉助冷凍乾燥技術在碳纖維表面生長三維取向的PBO/GO層，再經高溫石墨化獲得具有三維高導熱結構的複合基碳纖維（見圖2）。以其作為增強體，環氧樹脂複合材料的全厚度導熱係數提高至5.39 W/(m·K)，解決了單向碳纖維複合材料全厚度方向導熱係數低的問題，為高性能碳纖維複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嚮導熱係數高達66.57 W/(m·K)，與原PAN基碳纖維（2.51 W/(m·K)）相比有了質的飛躍，並驗證了三維導熱結構更易於複合材料內部導熱通路的形成，側面印證了複合材料內部的熱傳導依賴於豐富的導熱通道（圖3）。相關成果以「Thermal conductivity enhancement of carbon fiber/epoxy composites via constructing three-dimensionally aligned hybrid thermal conductive structures on fiber surfaces」為題發表於Composites Science and Technology,2023,231:109800。本研究得到了浙江省重點研發計劃（2021C01004）、寧波市科技創新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1 PAN/PBO複合基碳纖維的形貌特徵
圖2 CNC@PG-G複合碳纖維的製備流程
圖3 PAN-CF、CF-Ni/CNT、CNC@PG-G及其複合材料的導熱性能
文章來源：中科院寧波材料所
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