一种具有优异电磁屏蔽和导热性能的PEEK复合材料

来源|Composites Part A: Applied Science and Manufacturing

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背景介绍

由于5G在电子、能源、航空航天等行业的广泛和智能化发展，对具有高功率密度和集成度的功能化高性能聚合物基复合材料的需求很大。例如，电子封装和能源设备必须有效地散热，以确保所需的安全系数和寿命，在某些情况下，需要有效的散热和保护设备免受电磁干扰。

聚醚醚酮PEEK具有优异的热稳定性、重量轻、优异的机械性能和良好的耐化学性，在航空航天、军事和机械等复杂应用中得到广泛应用。然而，PEEK分子链的无序简谐振动与低速声子扩散导致低导热系数限制了改材料的应用。此外，由于其刚性分子结构导致的较差的溶解性和界面相容性给PEEK复合材料的导热系数增强带来了挑战。

界面结合强度低，填料团聚，使得常规混合物理复合材料难以达到预期的热传导效果。然而，一些复杂的合成过程不可避免地涉及到填料的部分结构损伤，从而导致导热系数的减小。因此，填料的无损改性被认为是一种有效的方法。其中静电纺丝和冷冻干燥是有效的填料排列技术。而且填料的大长宽比可以在外场作用下大幅度提高面内或面外导热系数，制备出PEEK复合材料具有优异的导热系数是非常具有挑战性。

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成果掠影

近期，吉林大学牟建新教授团队在开发高导热工程塑料方面取得新进展。受三维导热网络的启发，将两种具有定向填料的复合材料组合在一起，形成三维传输网络的三明治结构。氨基-石墨烯(NH2-GnPs)与聚苯并恶嗪(PBZ)共价键能降低界面热阻(ITR)。混合NH2-GnPs和多壁碳纳米管(MWCNTs)协同效应用于改进导热系数的途径。此外，将静电纺丝NH2-GnPs&MWCNTs/聚醚醚酮(PEBEKt)和冷冻干燥的MWCNTs/PEEK@PBZ复合材料置于三明治结构中构建三维导热网络。定向填料可以通过增加热流输送来改善热扩散网络。最佳的面内和面外导热系数值分别为21.0和6.9 W/(mK)，是纯PEEK的90倍和29倍。复合材料还具有良好的电磁屏蔽性能(80.4 dB, 21.1%)、热稳定性和热管理能力。因此，三维导热复合材料为热管理和电磁屏蔽材料提供了可行的思路。研究成果以“Covalently modified graphene and 3D thermally conductive network for PEEK composites with electromagnetic shielding performance ”为题发表于《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》。

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图文导读

图1.三维网状结构PEEK复合材料的制备示意图。

图2.材料的XRD和拉曼结构示意图。

图3.(a)GnPs和(b) NH2-GnPs的TEM图像，(c)和(d)分别为GnPs和NH2-GnPs的部分放大图像，(e，f) GnPs和 NH2-GnPs的能谱图。

图4.材料的SEM图。

图5.材料的热物性。

图6.复合材料的导热性能增强机理示意图。

图7.复合材料的电磁屏蔽性能。

图8.PEEK复合材料的热管理能力，以及与随机分散填料复合材料的对比。

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审核编辑 黄宇