华南理工大学郭建华教授团队 CEJ：具有垂直排列结构的高导热强电磁屏蔽碳纤维/硅橡胶复合材料

2024-04-29 来源：高分子科技

当前，高集成度、高频率、高功率的电子通讯产品应用越来越广泛，在给人们生活带来便利的同时，引发的产品过热和电磁辐射干扰等问题也日益凸显。热失控和复杂电磁干扰将严重影响电子元器件的运行稳定性、工作可靠性和使用寿命，甚至对人体健康造成潜在伤害。因此，开发兼有高导热和强电磁屏蔽功能的柔性复合材料非常必要。

近期，华南理工大学郭建华教授和蒋兴华研究员团队采用冰模板法通过随机冷冻、双向冷冻和单向冷冻等不同冷冻方式制备了具有不同垂直排列结构的碳纤维（CF）/硅橡胶（PDMS）复合材料。在确定单向冷冻法能最大程度实现碳纤维垂直取向后，选用平均长度分别为150和250微米的CF，采用单向冷冻法分别制备了CF-150/PDMS和CF-250/PDMS复合材料，研究了CF长度和含量对复合材料导热系数、电磁屏蔽性能和力学性能的影响（图1）。扫描电镜（SEM）图像表明，随机冷冻法和双向冷冻法分别形成分布无规和层状结构的CF骨架，而单向冷冻法则形成具有垂直排列结构的CF骨架（图2）。当CF含量为15.71 vol%时，CF-150/PDMS和CF-250/PDMS复合材料的垂直导热系数（K_⊥）分别为6.35和9.07 W·m^?1·K^?1（图3）。通过热传导模型、有限元模拟、热红外成像、材料热管理展示等方式，进一步表明CF-250/PDMS复合材料的导热性能优于CF-150/PDMS复合材料，这是因为CF-250的长度比CF-150更大，有利于CF在垂直方向构建更完善的导热路径（图4和图5）。复合材料具有优异的各向异性电磁屏蔽性能，CF-150/PDMS和CF-250/PDMS复合材料的纵向电磁屏蔽效能（EMI SE）分别为30.92和39.66 dB，横向EMI SE分别为40.65和52.55 dB（图6）。当压缩应变为30%时，CF-250/PDMS复合材料的压缩应力为1.02 MPa（图7）。CF/PDMS复合材料优异的综合性能拓宽了材料在导热和电磁屏蔽方面的应用前景，可以用于5G通讯和新能源汽车等领域，为高性能导热和电磁屏蔽复合材料设计开发提供了新思路。该工作以“Vertically aligned carbon fiber/polydimethylsiloxane composites prepared by lyophilization with exceptional thermal conductivity and electromagnetic interference shielding performance”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。论文第一作者是华南理工大学材料科学与工程学院硕士研究生董洪坤，通讯作者是华南理工大学郭建华教授。该研究工作得到国家自然科学基金、国家技术领域基金、中山市重大科技项目等资助。