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(néng)源、通信等領域得到廣泛應用。5G時代電子設備集成(chéng)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，導緻更多冗餘熱量的産生，随之而來的過(guò)熱使役環境給設備的安全性和穩定性帶來了巨大挑戰，對(duì)材料的導熱性能(néng)提出了更高的要求。因此，高導熱、高性能(néng)碳纖維（CF）及其複合材料的應用對(duì)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(guó)科學(xué)院甯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(kāi)展了聚丙烯腈（PAN）基高強高模碳纖維國(guó)産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(chéng)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(zhè)爲高導熱高性能(néng)碳纖維的制備和生産提供了理論指導。針對(duì)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緻的厚度方向(xiàng)導熱系數較低的問題（一般不超過(guò)1 W/(m·K)），團隊利用剛性棒狀聚合物聚對(duì)苯撐苯并雙噁唑（PBO）更易石墨化的結構特點，設計了複合基碳纖維的制備策略，得到了具有更高取向(xiàng)度、結晶度的PBO衍生石墨結構，該結構對(duì)高導熱碳纖維及其複合材料的制備至關重要。
首先，受同軸纖維策略啓發(fā)，團隊利用碳纖維表面(miàn)改性技術，以氧化石墨烯（GO）作爲接枝橋梁，在碳纖維表面(miàn)均勻接枝高取向(xiàng)度和結晶度的PBO層；再通過(guò)進(jìn)一步石墨化，制備了同軸的PAN/PBO複合基碳纖維（其形貌如圖1所示）。所得單向(xiàng)PAN/PBO-CF環氧樹脂基複合材料的面(miàn)内導熱系數提高50%以上，達到82.86 W/(m·K)；厚度方向(xiàng)導熱系數的提高率可達137%，導熱系數達2.54 W/(m·K)。複合基碳纖維仍能(néng)保持良好(hǎo)的力學(xué)性能(néng)，其拉伸強度及模量可分别達4.58 GPa和448 GPa。相關成(chéng)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”爲題發(fā)表于Composites Part B: Engineering, 2022,229: 109468。
爲進(jìn)一步提升單向(xiàng)碳纖維複合材料的厚度方向(xiàng)導熱系數，團隊人員在PAN基碳纖維表面(miàn)構建了三維雜化導熱結構，實現了單向(xiàng)碳纖維複合材料導熱性能(néng)的連續突破。首先采用電沉積的方法在碳纖維表面(miàn)生長(cháng)鎳/碳納米管（Ni/CNT）交聯網絡，以其爲接枝橋梁并借助冷凍幹燥技術在碳纖維表面(miàn)生長(cháng)三維取向(xiàng)的PBO/GO層，再經(jīng)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）。以其作爲增強體，環氧樹脂複合材料的全厚度導熱系數提高至5.39 W/(m·K)，解決了單向(xiàng)碳纖維複合材料全厚度方向(xiàng)導熱系數低的問題，爲高性能(néng)碳纖維複合材料作爲熱界面(miàn)材料提供了更多可能(néng)。通過(guò)Agari理論計算模拟得到碳纖維的徑向(xiàng)導熱系數高達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，并驗證了三維導熱結構更易于複合材料内部導熱通路的形成(chéng)，側面(miàn)印證了複合材料内部的熱傳導依賴于豐富的導熱通道(dào)（圖3）。相關成(chéng)果以“Thermal conductivity enhancement of carbon fiber/epoxy composites via constructing three-dimensionally aligned hybrid thermal conductive structures on fiber surfaces”爲題發(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）、甯波市科技創新2025重大專項（2019B10091）、甯波市自然科學(xué)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征
圖2 CNC@PG-G複合碳纖維的制備流程
圖3 PAN-CF、CF-Ni/CNT、CNC@PG-G及其複合材料的導熱性能(néng)
（高分子與複合材料實驗室 郝夢圓）
