用于熱管理和電磁干擾屏蔽的碳基復合氣凝膠

熱管理博覽會

2023年5月29日 08:56

來源 | Chemical Engineering Journal

背景介紹

電子和通信設備的需求不斷增長，器件開始面臨電磁微波(EMWs)污染和熱失控的新挑戰。為了解決這些問題，研究人員開發了各種材料來滿足熱管理和電磁干擾屏蔽應用的要求，從金屬到聚合物基復合材料。雖然金屬由于其高導熱性和電磁干擾屏蔽性能而被廣泛應用于各種商業領域，但其重量大、防腐性能差等缺陷阻礙了其廣泛應用。

在這種情況下，具有高導熱性和導電性的聚合物基復合材料脫穎而出，這種復合材料通常是通過復合導熱/電填料制成。常見的導熱填料包括石墨烯、碳納米管(CNTs)、碳納米纖維(CNFs)等，由于其低密度、低成本、優異的導電性和導熱性以及卓越的機械性能，也被廣泛用于提高聚合物的性能，為聚合物基復合材料在電磁干擾屏蔽和熱管理領域的應用提供了可行性。

此外，導熱填料的分散的均勻性可以使聚合物基復合材料形成有效的網狀結構，從而提高了聚合物基復合材料的導電和導熱性。但是，由于超聲分散容易使碳填料團聚，會損害填料固有的電學和熱學性能。因此，由CNTs和石墨烯組成的三維自支撐骨架可以在一定程度上避免了填料的自聚集，為電子和熱傳遞提供了豐富的高效途徑，成為一種極具潛力的分散方法。

成果掠影

近期，西北工業大學宋強教授團隊在開發具有導熱和電磁屏蔽性能材料取得新進展。該團隊提出了一種新設計策略來構建用于環氧樹脂改性的全碳氣凝膠復合材料。通過化學氣相沉積技術，創造性地改變骨架的孔隙空間，實現了還原氧化石墨烯-碳納米管-垂直富邊石墨烯(rGO-CNT-VG)的共價鍵復合的三維結構。基于微結構的設計和控制，成功獲得的層疊式三維rGO-CNT-VG骨架在不同組分之間具有大量無縫結合的異質界面，可以產生額外的電荷極化、界面極化和介電弛豫，從而顯著促進電磁微波的衰減和轉換，達到理想的電磁干擾屏蔽性能。值得關注的是，rGO-CNT-VG /環氧復合材料的導熱系數為2.46 W/(mK)，EMI屏蔽效率為56.65 dB，分別是rGO/環氧復合材料的5.1倍和1.9倍。更重要的是，本研究設計的全碳非均相堆垛骨架策略為復合材料多功能性能的協同控制提供了新的改性方法。研究成果以“Heterogeneous stacking strategy towards carbon aerogel for thermal management and electromagnetic interference shielding ”為題發表于《Chemical Engineering Journal 》。

圖文導讀

用于熱管理和電磁干擾屏蔽的碳基復合氣凝膠的圖4

圖1.G、GG、GT、GTG復合材料制備工藝示意圖。

用于熱管理和電磁干擾屏蔽的碳基復合氣凝膠的圖5

圖2.(a) rGO， (b, c) rGO-VG， (d, e, f) rGO- CNT， (g, h) rGO- CNT - VG氣凝膠的SEM圖像;(i) rGO/VG、(j) rGO/CNT、(k) rGO/CNT和CNT/VG的示意圖。

用于熱管理和電磁干擾屏蔽的碳基復合氣凝膠的圖6

圖3.氣凝膠的SEM圖像,(a).rGO納米片;(b) rGO-VG納米片;(c, d)還原氧化石墨烯納米片表面VGs的形貌;(e)rGO- CNT納米片;(f)CNTs;(g) rGO-CNT-VG納米片;(h) CNT-VG;(i, j) rGO/CNT的異質界面;(k, l) CNT/VG的異構接口; (m)rGO/CNT和 (n)CNT/VG連接處示意圖。

用于熱管理和電磁干擾屏蔽的碳基復合氣凝膠的圖7