碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)因其輕質(zhì)、高比強(qiáng)、高比剛及易加工等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、文體器材、汽車、能源、通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。5G時(shí)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(shì)，導(dǎo)致更多冗余熱量的產(chǎn)生，隨之而來(lái)的過(guò)熱使役環(huán)境給設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，對(duì)材料的導(dǎo)熱性能提出了更高的要求。因此，高導(dǎo)熱、高性能碳纖維(CF)及其復(fù)合材料的應(yīng)用對(duì)設(shè)備輕量化、穩(wěn)定性和熱失效風(fēng)險(xiǎn)的避免具有重要意義。
 

　　中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所碳纖維及其復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)在張永剛研究員帶領(lǐng)下開(kāi)展了聚丙烯腈(PAN)基高強(qiáng)高模碳纖維國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作，總結(jié)出了誘導(dǎo)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(dǎo)熱高性能碳纖維的制備和生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo)。針對(duì)碳纖維復(fù)合材料受高熱阻樹(shù)脂基體阻隔及碳纖維各項(xiàng)異性影響所致的厚度方向?qū)嵯禂?shù)較低的問(wèn)題(一般不超過(guò)1 W/(m·K))，團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了復(fù)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(duì)高導(dǎo)熱碳纖維及其復(fù)合材料的制備至關(guān)重要。
 

　　首先，受同軸纖維策略啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)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(guò)進(jìn)一步石墨化，制備了同軸的PAN/PBO復(fù)合基碳纖維(其形貌如圖1所示)。所得單向PAN/PBO-CF環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)提高50%以上，達(dá)到82.86 W/(m·K)；厚度方向?qū)嵯禂?shù)的提高率可達(dá)137%，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)2.54 W/(m·K)。復(fù)合基碳纖維仍能保持良好的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度及模量可分別達(dá)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(jìn)一步提升單向碳纖維復(fù)合材料的厚度方向?qū)嵯禂?shù)，團(tuán)隊(duì)人員在PAN基碳纖維表面構(gòu)建了三維雜化導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單向碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)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(zhǎng)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(zhǎng)三維取向的PBO/GO層，再經(jīng)高溫石墨化獲得具有三維高導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的復(fù)合基碳纖維(見(jiàn)圖2)。以其作為增強(qiáng)體，環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的全厚度導(dǎo)熱系數(shù)提高至5.39 W/(m·K)，解決了單向碳纖維復(fù)合材料全厚度方向?qū)嵯禂?shù)低的問(wèn)題，為高性能碳纖維復(fù)合材料作為熱界面材料提供了更多可能。通過(guò)Agari理論計(jì)算模擬得到碳纖維的徑向?qū)嵯禂?shù)高達(dá)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(yàn)證了三維導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)更易于復(fù)合材料內(nèi)部導(dǎo)熱通路的形成，側(cè)面印證了復(fù)合材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)依賴于豐富的導(dǎo)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2021C01004)、寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(xiàng)(2019B10091)、寧波市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(202003N4027)等項(xiàng)目的支持。
 

圖3 PAN-CF、CF-Ni/CNT、CNC@PG-G及其復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能