天津大学封伟团队AFM：高导热弹性复合材料

Alisa 5年前 (2019-04-12) 7277浏览

【研究背景】

兼具压力敏感高导热和高导电性能的弹性复合材料是构建可拉伸柔性压敏器件（传感器、致动器、探测器）的核心材料。其中核心材料的电/热敏感度、弹性形变、响应速率及循环稳定性是影响其器件性能的关键。目前导热弹性体主要以热塑性弹性体或液晶弹性体为基材，其柔性链的自由运动虽然使其具备较高的弹性形变和良好的压缩回弹性，但是材料的导热/电率较低、力学承载能力弱（受外力易破坏）且耐高温性能较差，限制了其极端环境中的应用。与之相比，以聚酰亚胺为代表的高模量/高强度聚合物具备良好的耐高温和力学承载能力，但其分子链间相互作用（交联）限制了链段的运动，刚性结构大幅降低了其弹性形变及压缩回弹性。因此如何通过结构设计，赋予高模量聚合物声子（电子）传导和高弹性，是制备高导热弹性复合材料的重要途径。

【成果简介】

近日，天津大学材料科学与工程学院封伟教授团队提出以高弹性石墨烯交联三维碳纳米管海绵体为模板，制备出一种兼具导热、导电和良好压缩回弹性的聚酰亚胺/碳复合材料。通过控制网络节点处的石墨烯交联、界面相互作用和复合均匀性，使刚性聚酰亚胺复合材料呈现出压力可调的导热和导电性能，可实现界面高效热管理和压力敏感性能。结果显示，通过高温碳化节点处均匀包覆的聚酰亚胺，获得了高质量石墨烯交联结构的三维碳管网络，长程共轭结构实现了声子在网络和界面处的快速传导，解决了碳管网络内部界面弱连接导致界面热阻过高和循环压缩性能差的难题；同时均匀包覆聚酰亚胺的碳管网络能实现与不同含量聚酰亚胺基体的均匀复合，从而实现了三维网络结构的复合材料的密度和孔隙率的调控，为实现高导热（电）和高弹性的兼顾提供了材料基础。

在控制聚酰亚胺含量的基础上，获得了一系列具有不同导热（电）和弹性形变的弹性复合材料（Gw-CNT/PI），其导热系数和可压缩率分别在0.325 ~10.89 W/mK和2.2%~49.9%（压力：1 MPa）范围可调。通过有限元分析进一步证实了通过施加不同外力可实现声子在不同密度的三维网络结构内的快速定向传导。该性能使聚酰亚胺基导热弹性体适用于不同结构的界面热传导或压力传感，极大地拓宽了该材料的应用领域。将该弹性复合材料作为界面热材料置于模拟动态伸缩的器件内，发现该导热弹性体能在超过200次压缩/回弹循环后，仍保持与两侧界面的良好接触，从而大幅降低界面处的温度梯度，使热量从高温区向低温区传导，降低局部过热程度。

【图文导读】

图1. 基于石墨烯交联碳纳米管网络/聚酰亚胺复合材料的制备过程示意图

图2. 节点处石墨烯交联的三维碳纳米管网络的（a-c）SEM和（d-e）TEM照片

图3. 不同含量的Gw-CNT/PI复合材料的微观形貌

图4. Gw-CNT/PI复合材料的压缩弹性性能

图5. Gw-CNT/PI复合材料的（a）密度以及(b) 弹性形变与导热系数的调控关系

图6. Gw-CNT/PI复合材料在（上）未压缩和（下）压缩状态下热传导的有限元模拟

图7. Gw-CNT/PI复合材料的（a）密度以及(b) 弹性形变与导电率的调控关系，（c，d）不同压力下的传感性能及其循环稳定性

【小结】

以石墨烯交联的弹性碳纳米管海绵体为模板，通过均匀复合，不仅可以实现了界面高效热传导和弹性形变的可调，而且赋予了高模量刚性聚酰亚胺复合材料高导热（电）和压缩回弹性。有限元分析和动态热管理器件应用分别从理论和实际角度，证明了Gw-CNT/PI复合弹性体可以实现在不同压缩形变下热传导的有效调控，该结果表明该导热弹性体是未来极端复杂环境热管理领域的理想材料之一。

该工作近期以“Stress Controllability in Thermal and Electrical Conductivity of 3D Elastic Graphene-Crosslinked Carbon Nanotube Sponge/Polyimide Nanocomposite”为题发表在期刊Advanced Functional Materials（DOI：10.1002/adfm.201901383）上（文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201901383），文章第一作者为博士研究生张飞，通讯作者为封伟教授，共同通讯作者为冯奕钰教授。

团队成果介绍

极端环境热管理系统在能源化工、通讯卫星、高速飞行器及人工智能等领域都发挥重要作用。导热复合材料作为热管理系统的关键材料，直接影响着其在不同环境内的热传导方向和效率。近年来，本团队以高导热碳复合材料为研究基础，针对其存在的导热各向异性、压缩回弹性差以及与高弹性难以兼顾的问题，提出了通过微观结构设计和界面优化，分别实现复合材料的定向高导热和弹性高导热，探索其在复杂界面和极端环境热传导领域的应用。

主要成果包括：

1.以弹性碳纳米管海绵体为模板，分别与热塑性弹性体和高模量聚合物实现均匀复合，制备了高导热、高弹性的聚合物基复合材料[1, 2]；

2.以高弹性多孔密胺树脂泡沫为模板，通过选择性吸附实现了石墨烯在表面的连续搭接形成三维网络结构，制备了具有压力可调导热和弹性的聚合物基复合材料[3];

3.以表面生长碳纳米管的碳纤维阵列为基础，通过控制其取向度和密度，分别与高弹性硅橡胶和耐高温碳化硅均匀复合，分别制备了具有导热各向异性的弹性聚合物基复合材料和面外高导热/高剪切强度的复合材料[4,5];

4.通过在层状石墨内插层生长不同密度和长度的碳纳米管阵列或碳螺旋环，获得了具有厚度方向高导热的碳基复合材料，并且了实现了一定范围内的压缩回弹[6-8]；

5.团队在高导热复合材料相关领域，先后发表多篇代表性综述性文章[9-11]，提出了导热复合材料的技术瓶颈，发展方向和潜在应用领域，为导热复合材料的设计、制备与应用指明了方向。

代表性发表论文：

[1] Zhang F, Feng Y, Qin M, et al. Stress Controllability in Thermal and Electrical Conductivity of 3D Elastic Graphene-Crosslinked Carbon Nanotube Sponge/Polyimide NanocompositeAdvanced Functional MaterialsDOI：10.1002/adfm.201901383

[2] Zhang F, Feng Y, Qin M, et al. Stress-sensitive thermally conductive elastic nanocomposite based on interconnected graphite-welded carbon nanotube spongesCarbon2019, 145: 378-388.

[3] Qin M, Xu Y, Cao R, et al. Efficiently Controlling the 3D Thermal Conductivity of a Polymer Nanocomposite via a Hyperelastic Double‐Continuous Network of Graphene and SpongeAdvanced Functional Materials2018, 28(45): 1805053.

[4] Ji T, Feng Y, Qin M, et al. Thermal conductive and flexible silastic composite based on a hierarchical framework of aligned carbon fibers-carbon nanotubesCarbon2018, 131: 149-159.

[5] Chen S, Feng Y, Qin M, et al. Improving thermal conductivity in the through-thickness direction of carbon fiber/SiC composites by growing vertically aligned carbon nanotubesCarbon2017, 116: 83-93.

[6] Qin M, Feng Y, Ji T, et al. Enhancement of cross-plane thermal conductivity and mechanical strength via vertical aligned carbon nanotube@graphite architectureCarbon2016, 104: 157-168.

[7] Feng W, Qin M, Lv P, et al. A three-dimensional nanostructure of graphite intercalated by carbon nanotubes with high cross-plane thermal conductivity and bending strengthCarbon2014, 77: 1054-1064.

[8] Feng W, Li J, Feng Y, et al. Enhanced cross-plane thermal conductivity and high resilience of three-dimensional hierarchical carbon nanocoil-graphite nanocompositesRSC Advances2014, 4(20): 10090-10096

[9] Feng W, Qin M, Feng Y. Toward highly thermally conductive all-carbon composites: Structure controlCarbon2016, 109: 575-597.

[10] Ji T, Feng Y, Qin M, et al. Thermal conducting properties of aligned carbon nanotubes and their polymer compositesComposites Part A: Applied Science & Manufacturing2016, 91: 351-369.

[11] Zhang Z, Qu J, Feng Y, et al. Assembly of graphene-aligned polymer composites for thermal conductive applicationsComposites Communications2018, 9: 33-41.

本文由天津大学材料科学与工程学院封伟教授团队供稿，材料人编辑部编辑

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