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  碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料由于碳纖維的定向排列和樹脂的低熱導(dǎo)率(TC <0.6 W/(m?K))，導(dǎo)致其平面內(nèi)熱導(dǎo)率較低，這嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。通過在樹脂基體中添加填料并構(gòu)建連續(xù)的熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，可以有效提高熱導(dǎo)率。然而，碳纖維表面粗糙度低導(dǎo)致界面性能不佳，且碳纖維鉚接點(diǎn)之間的固有缺陷限制了面外熱導(dǎo)率的提升，同時(shí)填料樹脂間較差的相容性也容易造成內(nèi)部缺陷，導(dǎo)致傳熱受限。制備具有雙向高熱導(dǎo)率的CFRP復(fù)合材料仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

  針對上述問題，汪懷遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)制備了一種新型的CDs-EG/EP-CF@Cu復(fù)合材料。該材料由碳點(diǎn)（CDs）改性的膨脹石墨（EG）和銅改性的CF和環(huán)氧樹脂組成，其中EG用于構(gòu)建三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，CDs用于提高EG與環(huán)氧樹脂界面的相容性，而通過電沉積技術(shù)優(yōu)化界面并形成納米級粗糙度的Cu改性CF。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種復(fù)合材料具有高雙向熱導(dǎo)率（TC），包括面內(nèi)熱導(dǎo)率8.75 W/（m?K）和面外熱導(dǎo)率36.97 W/（m?K）。此外，該復(fù)合材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的熱響應(yīng)性、電導(dǎo)率（18320 S m^-1）、電磁干擾屏蔽性能（86.52 dB）以及良好的力學(xué)性能。此外，通過有限元模擬展示了材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和界面增強(qiáng)在復(fù)合材料中有效提升了熱導(dǎo)率。本研究提出了一種新的方法，通過多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和界面強(qiáng)化來改善復(fù)合材料雙向熱傳導(dǎo)性能。

  近日，該研究成果以“A novel CFRP composite with bi-directional high thermal conductivity via quantum dots modified filler and electrodeposited Cu modified carbon fiber”為題發(fā)表在權(quán)威雜志《Carbon》上。論文第一作者為天津大學(xué)化工學(xué)院碩士研究生寧俊淇，通訊作者為天津大學(xué)化工學(xué)院博士后包迪和汪懷遠(yuǎn)教授。

1.填料改性及表征

圖1. CDs的制備及填料改性：(a) CDs的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。 (b) CDs的粒徑分布統(tǒng)計(jì)。(c) EG和CDs-EG的X射線光電子能譜(XPS)。(d-e) EG的C 1s和N 1s高分辨率光譜。(f) CDs、EG和CDs-EG的熱重分析。（g-h）CDs-EG的C 1s和N 1s高分辨率光譜。(i) EG和CDs-EG的水接觸角。

  通過透射電鏡觀察了量子點(diǎn)CDs的形貌和粒徑分布，通過XPS中C 1s、N 1s高分辨光譜的變化，熱重曲線的變化，水接觸角的下降，證明了CDs對填料EG的成功改性。

2.碳纖維的電沉積

圖2. 碳纖維的電沉積過程：(a1-e1) 不同電沉積時(shí)間下CF表面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像；(a2-e2) 不同電沉積時(shí)間下CF的原子力顯微鏡(AFM)圖像；(f) CF的X射線衍射(XRD)分析。

  通過SEM和AFM圖像可以清晰看出碳纖維表面的形貌和粗糙度隨電沉積時(shí)間的變化，并通過XRD驗(yàn)證了Cu的存在。

3.復(fù)合材料的熱導(dǎo)率測試

圖3.復(fù)合材料的熱導(dǎo)率：(a) 不同填料含量的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。(b) 三種復(fù)合材料在50 wt%填料含量下的熱導(dǎo)率。(c) 不同電沉積時(shí)間下，CDs-EG/EP-CF@Cu復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。(d) 不同溫度下，CDs-EG/EP-CF@Cu復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。(e) CDs-EG/EP-CF@Cu復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性測試。(f)與其他研究的對比。(g)三種復(fù)合材料的有限元模擬。(h) 不同復(fù)合材料的傳熱機(jī)制圖。

  通過對復(fù)合材料的熱導(dǎo)率測量可以看出，與EG/EP-CF復(fù)合材料 (面內(nèi)熱導(dǎo)率TC為26.15 W/(m?K)，面外熱導(dǎo)率TC為6.12 W/(m?K))相比，CDs-EG/EP-CF的熱導(dǎo)率有了顯著提升, 由于界面相容性的改善，CDs-EG/EP-CF的面內(nèi)和面外熱導(dǎo)率分別達(dá)到了30.32 W/（m?K）和7.12 W/（m?K）。此外，通過電沉積技術(shù)，CDs-EG/EP-CF@Cu復(fù)合材料的熱導(dǎo)率進(jìn)一步提高，面內(nèi)熱導(dǎo)率達(dá)到36.97 W/（m?K），面外熱導(dǎo)率達(dá)到8.75 W/（m?K），這進(jìn)一步增強(qiáng)了EG/EP與碳纖維之間的界面連接�？傮w而言，界面強(qiáng)化使得復(fù)合材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)更加致密，從而減少了聲子散射。

4.復(fù)合材料的散熱性能測試

圖4.復(fù)合材料的散熱：(a) LED散熱裝置示意圖。(b) 不同復(fù)合材料LED的紅外熱成像圖。(c) 不同復(fù)合材料LED的表面溫度變化。(d) LED散熱的有限元模擬。(e) LED在有限元模擬中的溫度變化。(f) 容器的紅外熱成像圖。(g) 容器的溫度變化。

  通過紅外熱成像觀測不同復(fù)合材料上的器件表面溫度變化，可以得出CDs-EG/EP-CF@Cu復(fù)合材料的散熱性能最優(yōu)，且有限元模擬也驗(yàn)證了這一結(jié)論。

  將復(fù)合材料做成容器觀測熱水散熱實(shí)驗(yàn)也可以看出，與純樹脂相比，CDs-EG/EP-CF@Cu材料制備的容器具有更好的散熱性能。

5.復(fù)合材料的力學(xué)性能和電磁屏蔽性能

圖5. 復(fù)合材料的力學(xué)性能和電磁屏蔽效果：(a) 不同復(fù)合材料的三點(diǎn)彎曲測試結(jié)果。(b) 不同復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。(c) 不同復(fù)合材料的硬度。(d) 不同填料含量的CDs-EG/EP-CF@Cu復(fù)合材料的電導(dǎo)率。(e-f) 不同填料含量的CDs-EG/EP-CF@Cu復(fù)合材料的電磁屏蔽效果。(g) 四種復(fù)合材料的電導(dǎo)率。（h-i）四種復(fù)合材料的電磁屏蔽效果。

  除了雙向高導(dǎo)熱性能，CDs-EG/EP-CF@Cu復(fù)合材料還具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能和良好的彎曲強(qiáng)度。在70 wt%填料含量下，總電磁干擾屏蔽（SE_T）達(dá)到86.52分貝，這意味著該材料能夠阻擋超過99.9999998%的電磁輻射，完全滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

  本研究設(shè)計(jì)制備了一種新型多功能碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料CDs-EG/EP-CF@Cu，該材料含有碳點(diǎn)改性的環(huán)氧樹脂（EG）和銅改性的碳纖維，具有雙向高熱導(dǎo)率（面內(nèi)8.75 W/m K，平面內(nèi)36.97 W/m K）。有限元模擬和紅外熱成像顯示，由于聚合物基質(zhì)中構(gòu)建了3D熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，以及填料與樹脂之間良好的界面相容性，復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的熱響應(yīng)能力。此外，通過電沉積引入銅，構(gòu)建了納米級異質(zhì)結(jié)構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)了碳纖維之間更加緊密的界面，這在碳纖維接合點(diǎn)處形成了更多的聲子傳輸路徑。這種優(yōu)秀的界面性能使得熱傳遞路徑更加連貫，賦予復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中卓越的熱傳導(dǎo)性能。在實(shí)際LED應(yīng)用中，CDs-EG/EP-CF@Cu復(fù)合材料展現(xiàn)了高效的散熱能力和出色的熱穩(wěn)定性。此外，該復(fù)合材料還具有優(yōu)異的電磁干擾屏蔽能力（70 wt%填料含量時(shí)為86.52 dB）和良好的機(jī)械性能（彎曲強(qiáng)度超過457.3 Mpa，彎曲模量為61.3 GPa）。這種新型多功能CFRP復(fù)合材料具有巨大的潛力，有望應(yīng)用于航空航天設(shè)備和電子設(shè)備的熱管理領(lǐng)域。

  全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120522