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華南理工大學郭建華教授團隊 CEJ：具有垂直排列結構的高導熱強電磁屏蔽碳纖維/硅橡膠復合材料

2024-04-29 來源：高分子科技

當前，高集成度、高頻率、高功率的電子通訊產品應用越來越廣泛，在給人們生活帶來便利的同時，引發的產品過熱和電磁輻射干擾等問題也日益凸顯。熱失控和復雜電磁干擾將嚴重影響電子元器件的運行穩定性、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，開發兼有高導熱和強電磁屏蔽功能的柔性復合材料非常必要。

近期，華南理工大學郭建華教授和蔣興華研究員團隊采用冰模板法通過隨機冷凍、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構的碳纖維（CF）/硅橡膠（PDMS）復合材料。在確定單向冷凍法能最大程度實現碳纖維垂直取向后，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復合材料，研究了CF長度和含量對復合材料導熱系數、電磁屏蔽性能和力學性能的影響（圖1）。掃描電鏡（SEM）圖像表明，隨機冷凍法和雙向冷凍法分別形成分布無規和層狀結構的CF骨架，而單向冷凍法則形成具有垂直排列結構的CF骨架（圖2）。當CF含量為15.71 vol%時，CF-150/PDMS和CF-250/PDMS復合材料的垂直導熱系數（K_⊥）分別為6.35和9.07 W·m^?1·K^?1（圖3）。通過熱傳導模型、有限元模擬、熱紅外成像、材料熱管理展示等方式，進一步表明CF-250/PDMS復合材料的導熱性能優于CF-150/PDMS復合材料，這是因為CF-250的長度比CF-150更大，有利于CF在垂直方向構建更完善的導熱路徑（圖4和圖5）。復合材料具有優異的各向異性電磁屏蔽性能，CF-150/PDMS和CF-250/PDMS復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）。當壓縮應變為30%時，CF-250/PDMS復合材料的壓縮應力為1.02 MPa（圖7）。CF/PDMS復合材料優異的綜合性能拓寬了材料在導熱和電磁屏蔽方面的應用前景，可以用于5G通訊和新能源汽車等領域，為高性能導熱和電磁屏蔽復合材料設計開發提供了新思路。該工作以“Vertically aligned carbon fiber/polydimethylsiloxane composites prepared by lyophilization with exceptional thermal conductivity and electromagnetic interference shielding performance”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上。論文第一作者是華南理工大學材料科學與工程學院碩士研究生董洪坤，通訊作者是華南理工大學郭建華教授。該研究工作得到國家自然科學基金、國家技術領域基金、中山市重大科技項目等資助。