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華南理工大學(xué)郭建華教授團(tuán)隊 CEJ：具有垂直排列結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱強(qiáng)電磁屏蔽碳纖維/硅橡膠復(fù)合材料

2024-04-29 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：不同垂直排列碳纖維硅橡膠高導(dǎo)熱強(qiáng)電磁屏蔽

當(dāng)前，高集成度、高頻率、高功率的電子通訊產(chǎn)品應(yīng)用越來越廣泛，在給人們生活帶來便利的同時，引發(fā)的產(chǎn)品過熱和電磁輻射干擾等問題也日益凸顯。熱失控和復(fù)雜電磁干擾將嚴(yán)重影響電子元器件的運(yùn)行穩(wěn)定性、工作可靠性和使用壽命，甚至對人體健康造成潛在傷害。因此，開發(fā)兼有高導(dǎo)熱和強(qiáng)電磁屏蔽功能的柔性復(fù)合材料非常必要。

近期，華南理工大學(xué)郭建華教授和蔣興華研究員團(tuán)隊采用冰模板法通過隨機(jī)冷凍、雙向冷凍和單向冷凍等不同冷凍方式制備了具有不同垂直排列結(jié)構(gòu)的碳纖維（CF）/硅橡膠（PDMS）復(fù)合材料。在確定單向冷凍法能最大程度實現(xiàn)碳纖維垂直取向后，選用平均長度分別為150和250微米的CF，采用單向冷凍法分別制備了CF-150/PDMS和CF-250/PDMS復(fù)合材料，研究了CF長度和含量對復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)、電磁屏蔽性能和力學(xué)性能的影響（圖1）。掃描電鏡（SEM）圖像表明，隨機(jī)冷凍法和雙向冷凍法分別形成分布無規(guī)和層狀結(jié)構(gòu)的CF骨架，而單向冷凍法則形成具有垂直排列結(jié)構(gòu)的CF骨架（圖2）。當(dāng)CF含量為15.71 vol%時，CF-150/PDMS和CF-250/PDMS復(fù)合材料的垂直導(dǎo)熱系數(shù)（K_⊥）分別為6.35和9.07 W·m^?1·K^?1（圖3）。通過熱傳導(dǎo)模型、有限元模擬、熱紅外成像、材料熱管理展示等方式，進(jìn)一步表明CF-250/PDMS復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能優(yōu)于CF-150/PDMS復(fù)合材料，這是因為CF-250的長度比CF-150更大，有利于CF在垂直方向構(gòu)建更完善的導(dǎo)熱路徑（圖4和圖5）。復(fù)合材料具有優(yōu)異的各向異性電磁屏蔽性能，CF-150/PDMS和CF-250/PDMS復(fù)合材料的縱向電磁屏蔽效能（EMI SE）分別為30.92和39.66 dB，橫向EMI SE分別為40.65和52.55 dB（圖6）。當(dāng)壓縮應(yīng)變?yōu)?/span>30%時，CF-250/PDMS復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力為1.02 MPa（圖7）。CF/PDMS復(fù)合材料優(yōu)異的綜合性能拓寬了材料在導(dǎo)熱和電磁屏蔽方面的應(yīng)用前景，可以用于5G通訊和新能源汽車等領(lǐng)域，為高性能導(dǎo)熱和電磁屏蔽復(fù)合材料設(shè)計開發(fā)提供了新思路。該工作以“Vertically aligned carbon fiber/polydimethylsiloxane composites prepared by lyophilization with exceptional thermal conductivity and electromagnetic interference shielding performance”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。論文第一作者是華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生董洪坤，通訊作者是華南理工大學(xué)郭建華教授。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家技術(shù)領(lǐng)域基金、中山市重大科技項目等資助。