用于熱管理和電磁干擾屏蔽的碳基復(fù)合氣凝膠

來源|Chemical Engineering Journal

01

背景介紹

電子和通信設(shè)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(zhàn)。為了解決這些問題，研究人員開發(fā)了各種材料來滿足熱管理和電磁干擾屏蔽應(yīng)用的要求，從金屬到聚合物基復(fù)合材料。雖然金屬由于其高導(dǎo)熱性和電磁干擾屏蔽性能而被廣泛應(yīng)用于各種商業(yè)領(lǐng)域，但其重量大、防腐性能差等缺陷阻礙了其廣泛應(yīng)用。

在這種情況下，具有高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的聚合物基復(fù)合材料脫穎而出，這種復(fù)合材料通常是通過復(fù)合導(dǎo)熱/電填料制成。常見的導(dǎo)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(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)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(fù)合材料在電磁干擾屏蔽和熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可行性。

此外，導(dǎo)熱填料的分散的均勻性可以使聚合物基復(fù)合材料形成有效的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高了聚合物基復(fù)合材料的導(dǎo)電和導(dǎo)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(xué)和熱學(xué)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。

02

成果掠影

近期，西北工業(yè)大學(xué)宋強教授團隊在開發(fā)具有導(dǎo)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(shè)計策略來構(gòu)建用于環(huán)氧樹脂改性的全碳氣凝膠復(fù)合材料。通過化學(xué)氣相沉積技術(shù)，創(chuàng)造性地改變骨架的孔隙空間，實現(xiàn)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(fù)合的三維結(jié)構(gòu)?；谖⒔Y(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)合的異質(zhì)界面，可以產(chǎn)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(zhuǎn)換，達到理想的電磁干擾屏蔽性能。值得關(guān)注的是，rGO-CNT-VG /環(huán)氧復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為2.46 W/(mK)，EMI屏蔽效率為56.65 dB，分別是rGO/環(huán)氧復(fù)合材料的5.1倍和1.9倍。更重要的是，本研究設(shè)計的全碳非均相堆垛骨架策略為復(fù)合材料多功能性能的協(xié)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(fā)表于《Chemical Engineering Journal 》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1.G、GG、GT、GTG復(fù)合材料制備工藝示意圖。

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。

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(zhì)界面;(k, l) CNT/VG的異構(gòu)接口; (m)rGO/CNT和 (n)CNT/VG連接處示意圖。

圖4.(a)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù);(b)加熱過程的溫度變化，(d)紅外熱像圖，(c)冷卻過程的表面溫度變化，(e)紅外熱像圖，(f) GTG復(fù)合材料的傳熱機理。

圖5.(a)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù);(b)加熱過程的溫度變化，(d)紅外熱像圖，(c)冷卻過程的表面溫度變化，(e)紅外熱像圖，(f) GTG復(fù)合材料的傳熱機理。

圖6.復(fù)合材料的熱導(dǎo)率以及電磁屏蔽性和機理圖。

END

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審核編輯黃宇