用于热管理和电磁干扰屏蔽的碳基复合气凝胶

来源|Chemical Engineering Journal

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背景介绍

电子和通信设备的需求不断增长，器件开始面临电磁微波(EMWs)污染和热失控的新挑战。为了解决这些问题，研究人员开发了各种材料来满足热管理和电磁干扰屏蔽应用的要求，从金属到聚合物基复合材料。虽然金属由于其高导热性和电磁干扰屏蔽性能而被广泛应用于各种商业领域，但其重量大、防腐性能差等缺陷阻碍了其广泛应用。

在这种情况下，具有高导热性和导电性的聚合物基复合材料脱颖而出，这种复合材料通常是通过复合导热/电填料制成。常见的导热填料包括石墨烯、碳纳米管(CNTs)、碳纳米纤维(CNFs)等，由于其低密度、低成本、优异的导电性和导热性以及卓越的机械性能，也被广泛用于提高聚合物的性能，为聚合物基复合材料在电磁干扰屏蔽和热管理领域的应用提供了可行性。

此外，导热填料的分散的均匀性可以使聚合物基复合材料形成有效的网状结构，从而提高了聚合物基复合材料的导电和导热性。但是，由于超声分散容易使碳填料团聚，会损害填料固有的电学和热学性能。因此，由CNTs和石墨烯组成的三维自支撑骨架可以在一定程度上避免了填料的自聚集，为电子和热传递提供了丰富的高效途径，成为一种极具潜力的分散方法。

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成果掠影

近期，西北工业大学宋强教授团队在开发具有导热和电磁屏蔽性能材料取得新进展。

该团队提出了一种新设计策略来构建用于环氧树脂改性的全碳气凝胶复合材料。通过化学气相沉积技术，创造性地改变骨架的孔隙空间，实现了还原氧化石墨烯-碳纳米管-垂直富边石墨烯(rGO-CNT-VG)的共价键复合的三维结构。基于微结构的设计和控制，成功获得的层叠式三维rGO-CNT-VG骨架在不同组分之间具有大量无缝结合的异质界面，可以产生额外的电荷极化、界面极化和介电弛豫，从而显著促进电磁微波的衰减和转换，达到理想的电磁干扰屏蔽性能。值得关注的是，rGO-CNT-VG /环氧复合材料的导热系数为2.46 W/(mK)，EMI屏蔽效率为56.65 dB，分别是rGO/环氧复合材料的5.1倍和1.9倍。更重要的是，本研究设计的全碳非均相堆垛骨架策略为复合材料多功能性能的协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 ”为题发表于《Chemical Engineering Journal 》。

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图文导读

图1.G、GG、GT、GTG复合材料制备工艺示意图。

图2.(a) rGO， (b, c) rGO-VG， (d, e, f) rGO- CNT， (g, h) rGO- CNT - VG气凝胶的SEM图像;(i) rGO/VG、(j) rGO/CNT、(k) rGO/CNT和CNT/VG的示意图。

图3.气凝胶的SEM图像,(a).rGO纳米片;(b) rGO-VG纳米片;(c, d)还原氧化石墨烯纳米片表面VGs的形貌;(e)rGO- CNT纳米片;(f)CNTs;(g) rGO-CNT-VG纳米片;(h) CNT-VG;(i, j) rGO/CNT的异质界面;(k, l) CNT/VG的异构接口; (m)rGO/CNT和 (n)CNT/VG连接处示意图。

图4.(a)复合材料的导热系数;(b)加热过程的温度变化，(d)红外热像图，(c)冷却过程的表面温度变化，(e)红外热像图，(f) GTG复合材料的传热机理。

图5.(a)复合材料的导热系数;(b)加热过程的温度变化，(d)红外热像图，(c)冷却过程的表面温度变化，(e)红外热像图，(f) GTG复合材料的传热机理。

图6.复合材料的热导率以及电磁屏蔽性和机理图。

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审核编辑黄宇