隨著現代設備向高集成化、高功率密度、小型化方向的快速發展，設備的熱積累問題日趨嚴重，急需高效散熱。此外，一些5G通信設備、電子設備和軍工設備通常會發出不良的電磁輻射干擾，電磁屏蔽材料吸收的電磁波通常會轉化為熱量。這種熱能的積累和轉換不可避免地使設備過熱，嚴重影響器件的使用可靠性和壽命，甚至會引發火災。具有輕質、易加工、高耐蝕性的聚合物具有潛在的應用價值，但低的熱導率 (<0.5 W/m·K)限制了其在熱管理中的應用。因此，開發高熱導率聚合物基材料具有重要意義和實用價值。
面臨上述需求，天津大學汪懷遠教授團隊采用預填充和熱壓法制備了具有三維連通填料網絡結構的磺胺改性環氧復合材料(EG-SA/EP)。得益于互連網絡，EG-SA/EP復合材料可達到98 W/m·K的超高熱導率，遠超過一些商業使用的金屬，如碳鋼、不銹鋼等。與此同時，所設計的EG-SA/EP復合材料還表現出優異的電磁干擾屏蔽性能（足以屏蔽99.9999997%的入射電磁波）、高電導率和優良的熱紅外響應能力(僅需3 S即可將復合材料表面溫度從19°C升到82°C)。相關工作近期以題為“A novel modified expanded graphite/epoxy 3D composite with ultrahigh thermal conductivity”發表在了《Chemical Engineering Journal》上（DOI：10.1016/j.cej.2021.133519），該復合材料有望在電子、熱傳遞和航空航天等熱管理領域上得到廣泛應用。東北石油大學博士生包迪為論文第一作者，通訊作者為天津大學化工學院汪懷遠教授。
在材料制備過程中，為了保持EG固有的微三維結構，進而構建三維連通的導熱通路結構，采用了新的材料制備策略預填充和熱壓方法制備了超高熱導率復合材料。首先，預先將環氧樹脂(EP)填充到磺胺改性的EG-SA的孔隙中以起到預支撐和緩沖作用，即維持EG-SA的微三維結構和防止EG-SA被壓縮成二維層狀結構。然后，對復合料進行熱壓，使EG-SA之間發生橋接作用，最終在復合材料中形成三維互連網絡（圖1和圖2）。
圖1 EG-SA/EP復合材料制備過程示意圖
圖2 EG-SA/EP復合材料導熱機理圖
在掃描電鏡下，直接機械混合法制備的復合材料EG被壓縮成片層且存在明顯缺陷。通過預填充和熱壓法制備的復合材料EG呈現連通的3D結構。另外，經過磺胺的改性EG與環氧樹脂間界面明顯增強。這種連通的3D結構和增強的界面有望顯示出優異的導熱性能。
圖3 不同制備方法及界面改性的復合材料SEM圖
對材料進行熱導率測試，制備的復合材料具有超高的綜合熱導率，可高達98 W/m·K。另外，具有244 W/m·K的超高面內熱導率和10 W/m·K左右優異的面外熱導率。與純環氧樹脂相比，導熱增強效率超過44445%。
圖4 復合材料熱導率
為了更直觀地了解EG-SA/EP復合材料的傳熱性能，采用紅外熱像儀檢測復合材料在加熱過程中表面溫度隨時間的變化。3 s內，EG-SA/EP復合材料的表面溫度可以從19°C上升到82°C，而純環氧樹脂表面溫度僅升高到23°C。同時，水蒸發實驗也證明了EG-SA/EP復合材料優異的熱傳輸能力。
圖5 紅外熱成像和水蒸發實驗
EG-SA/EP復合材料還具有優異的導電能力和電磁屏蔽能力。EG-SA/EP復合材料電磁屏蔽性能達到85 dB，足以阻擋99.9999997%的入射電磁波，遠超過許多實際應用中20 dB的要求值。
圖6 EG-SA/EP復合材料電導率和電磁屏蔽性能
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133519
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