热管理和电磁干扰屏蔽双功能材料—— 3D多壁碳纳米管/石墨烯/硅橡胶弹性体

电子设备的小型化和功率密度的提升导致热能的快速积累，导致电子设备的安全性差和使用寿命缩短。同时，电子设备产生的电磁波辐射严重影响人体健康及其运行。为了解决这些问题，迫切需要具有出色热管理和电磁干扰 (EMI) 屏蔽的集成双功能轻质材料。迄今为止，报道的轻质碳基填料包括石墨、石墨烯、碳纤维和碳纳米管 (CNT) 。

在上述碳质材料中，石墨烯具有sp2键合的六方碳晶格和离域共轭π电子结构，为声子传递和电子传递提供了快速通道，形成了优异的面内导热和导电性。因此，石墨烯基具有理想导热性能和EMI屏蔽效果(SE)的双功能材料得到了广泛的研究。然而，由于石墨烯片层的重新堆积，对纯石墨烯的热导率和EMI SE的提高效率受到了限制。研究发现，石墨烯与其他材料如碳纤维、CNTs和金属纳米颗粒结合，可以在较低的填充量下构建长范围的导热路径，从而使所获得的复合材料具有优良的热、电和力学性能。特别是对于CNTs填料，其独特的一维(1D)管状纳米结构不仅提供了丰富的导热途径，而且为电磁波散射提供了众多的极化位点。然而，由于填料在复合材料中的分散或团聚不均匀，未能充分利用其优异的固有性能，导致复合材料的导热增强效率较低。

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所姜东、陈成猛等相关研究人员采用KOH诱导水热反应，在2800℃下石墨化制备了具有3D连续网络的各向异性石墨烯/多壁碳纳米管。当氧化石墨烯与多壁碳纳米管的比例为 1:3 时，实现了水平方向 sp² 微晶尺寸的减小与乱层堆积的增强之间的平衡，有利于声子转移和电子传输。在 2.77 wt.% 的低负载量下，复合材料的最佳导热系数可达 1.30 W m^-1 K^-1，比纯硅橡胶（0.23 W m^-1 K^-1）高 465%。同时，该复合材料在K波段表现出42 dB 的最大电导率和电磁干扰屏蔽效率。而且还保留了矩阵的灵活性。为轻质双功能集成材料的研制奠定了基础。

相关研究结果以” Dual-functional 3D multi-wall carbon nanotubes/graphene/Silicone Rubber Elastomer: Thermal Management and Electromagnetic interference shielding “为题，发表在 Carbon 上。

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图文导读

图1 (a) rGOCA和GCA气凝胶及其复合材料制备示意图。(b)氧化石墨烯和多壁碳纳米管不同质量比的GCAs光学图像。(c) 超轻的重量(ρ= 0.0322g cm^-3)的GCA3(GO与MWCNTs的比例为 1:3 )立在蒲公英上。

图2 (a)加热和(b)冷却(10s、30s和120s)过程中SR、GA/SR和GCA3/SR的红外热像图 (c)复合材料的平行热导率和垂直热导率。

图3 (a) 所有样品的电导率。所有样品在 K 波段的 (b) SE_T、(c) SE_R 和 (d) SE_A 的比较

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总结

综上所述，通过KOH诱导水热反应和石墨化工艺制备了具有高取向结构的轻质3D石墨烯/MWCNTs气凝胶。探讨了多壁碳纳米管对气凝胶结构的影响，其中随着多壁碳纳米管含量的增加，气凝胶中L_a含量降低，乱层堆叠增强。基于L_a和乱层堆积之间的平衡，当GO与MWCNTs的比例为1:3时，复合材料的最佳导热系数为1.3 W m^-1 K^-1，电导率为7.65 S m^-1。同时，多壁碳纳米管的掺入促进了欧姆损耗和极化能力。特别是对于GCA3/SR，它在k波段显示了42 dB的出色EMI SE。此外，GCA/SR复合材料仍然具有良好的柔韧性。这一结果为柔性电子设备的下一代多功能应用铺平了道路。

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文献信息

D. Liu, Q.-Q. Kong, H. Jia, L.-J. Xie, J. Chen, Z. Tao, Z. Wang, D. Jiang, C.-M. Chen

Dual-functional 3D multi-wall carbon nanotubes/graphene/Silicone Rubber Elastomer: Thermal Management and Electromagnetic interference shielding

Carbon

https://doi.org/10.1016/ j.carbon.2021.07.013