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  隨著現(xiàn)代設(shè)備向高集成化、高功率密度、小型化方向的快速發(fā)展，設(shè)備的熱積累問題日趨嚴(yán)重，急需高效散熱。此外，一些5G通信設(shè)備、電子設(shè)備和軍工設(shè)備通常會(huì)發(fā)出不良的電磁輻射干擾，電磁屏蔽材料吸收的電磁波通常會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量。這種熱能的積累和轉(zhuǎn)換不可避免地使設(shè)備過熱，嚴(yán)重影響器件的使用可靠性和壽命，甚至?xí)l(fā)火災(zāi)。具有輕質(zhì)、易加工、高耐蝕性的聚合物具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，但低的熱導(dǎo)率 (<0.5 W/m·K)限制了其在熱管理中的應(yīng)用。因此，開發(fā)高熱導(dǎo)率聚合物基材料具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。

  面臨上述需求，天津大學(xué)汪懷遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)采用預(yù)填充和熱壓法制備了具有三維連通填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的磺胺改性環(huán)氧復(fù)合材料(EG-SA/EP)。得益于互連網(wǎng)絡(luò)，EG-SA/EP復(fù)合材料可達(dá)到98 W/m·K的超高熱導(dǎo)率，遠(yuǎn)超過一些商業(yè)使用的金屬，如碳鋼、不銹鋼等。與此同時(shí)，所設(shè)計(jì)的EG-SA/EP復(fù)合材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的電磁干擾屏蔽性能（足以屏蔽99.9999997%的入射電磁波）、高電導(dǎo)率和優(yōu)良的熱紅外響應(yīng)能力(僅需3 S即可將復(fù)合材料表面溫度從19°C升到82°C)。相關(guān)工作近期以題為“A novel modified expanded graphite/epoxy 3D composite with ultrahigh thermal conductivity”發(fā)表在了《Chemical Engineering Journal》上（DOI：10.1016/j.cej.2021.133519），該復(fù)合材料有望在電子、熱傳遞和航空航天等熱管理領(lǐng)域上得到廣泛應(yīng)用。東北石油大學(xué)博士生包迪為論文第一作者，通訊作者為天津大學(xué)化工學(xué)院汪懷遠(yuǎn)教授。

  在材料制備過程中，為了保持EG固有的微三維結(jié)構(gòu)，進(jìn)而構(gòu)建三維連通的導(dǎo)熱通路結(jié)構(gòu)，采用了新的材料制備策略預(yù)填充和熱壓方法制備了超高熱導(dǎo)率復(fù)合材料。首先，預(yù)先將環(huán)氧樹脂(EP)填充到磺胺改性的EG-SA的孔隙中以起到預(yù)支撐和緩沖作用，即維持EG-SA的微三維結(jié)構(gòu)和防止EG-SA被壓縮成二維層狀結(jié)構(gòu)。然后，對(duì)復(fù)合料進(jìn)行熱壓，使EG-SA之間發(fā)生橋接作用，最終在復(fù)合材料中形成三維互連網(wǎng)絡(luò)（圖1和圖2）。

圖1 EG-SA/EP復(fù)合材料制備過程示意圖

圖2 EG-SA/EP復(fù)合材料導(dǎo)熱機(jī)理圖

  在掃描電鏡下，直接機(jī)械混合法制備的復(fù)合材料EG被壓縮成片層且存在明顯缺陷。通過預(yù)填充和熱壓法制備的復(fù)合材料EG呈現(xiàn)連通的3D結(jié)構(gòu)。另外，經(jīng)過磺胺的改性EG與環(huán)氧樹脂間界面明顯增強(qiáng)。這種連通的3D結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的界面有望顯示出優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。

圖3 不同制備方法及界面改性的復(fù)合材料SEM圖

  對(duì)材料進(jìn)行熱導(dǎo)率測(cè)試，制備的復(fù)合材料具有超高的綜合熱導(dǎo)率，可高達(dá)98 W/m·K。另外，具有244 W/m·K的超高面內(nèi)熱導(dǎo)率和10 W/m·K左右優(yōu)異的面外熱導(dǎo)率。與純環(huán)氧樹脂相比，導(dǎo)熱增強(qiáng)效率超過44445%。

圖4 復(fù)合材料熱導(dǎo)率

  為了更直觀地了解EG-SA/EP復(fù)合材料的傳熱性能，采用紅外熱像儀檢測(cè)復(fù)合材料在加熱過程中表面溫度隨時(shí)間的變化。3 s內(nèi)，EG-SA/EP復(fù)合材料的表面溫度可以從19°C上升到82°C，而純環(huán)氧樹脂表面溫度僅升高到23°C。同時(shí)，水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)也證明了EG-SA/EP復(fù)合材料優(yōu)異的熱傳輸能力。

圖5 紅外熱成像和水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)

  EG-SA/EP復(fù)合材料還具有優(yōu)異的導(dǎo)電能力和電磁屏蔽能力。EG-SA/EP復(fù)合材料電磁屏蔽性能達(dá)到85 dB，足以阻擋99.9999997%的入射電磁波，遠(yuǎn)超過許多實(shí)際應(yīng)用中20 dB的要求值。

圖6 EG-SA/EP復(fù)合材料電導(dǎo)率和電磁屏蔽性能

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133519