[NCM封面文章]清华大学杜鸿达：氧化石墨烯掺杂的电纺聚酰亚胺基石墨纳米纤维的导热性能

高导热炭材料兼具高导热性和耐温耐腐蚀特性，在航空航天和微电子领域的热管理中应用广泛。受益于牢固结合的碳原子和高度有序的晶格排列，高导热炭材料的面内热导率可以达到2300 W/(m·K)。常见的高导热炭材料主要有聚丙烯腈基炭材料、中间相沥青基炭材料和聚酰亚胺基炭材料。聚酰亚胺基炭材料是由聚酰亚胺经炭化、石墨化处理得到，具有高结晶性、高取向性和较少的晶格缺陷，热导率可以达到1800 W/(m·K)。聚酰亚胺基炭材料是一种具有巨大产业化价值的新型炭材料，提高聚酰亚胺基炭材料的热导率具有广阔的应用前景。

图1  GO/PI基石墨纳米纤维的制备流程

清华大学杜鸿达教授，在《新型炭材料》（New Carbon Materials）发表研究论文“Thermal conductivity of graphite nanofibers electrospun from graphene oxide-doped polyimide”。如图1所示，作者将氧化石墨烯（GO）分散在 N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）中，以均苯四甲酸二酐（PMDA）和二氨基二苯醚（ODA）为单体聚合成聚酰亚胺（PI）的前驱体溶液，通过静电纺丝得到平行取向的纳米纤维薄膜，经热亚胺化制得聚酰亚胺纤维，再经炭化和石墨化，PI纤维转化为石墨纤维。

图2  (a)GO/PI纳米纤维的FT-IR光谱图；(b)不同GO浓度的GO/PI纳米纤维的分子链取向度；(c)GO/PAA溶液电导率随GO浓度的变化图

如图2所示，通过偏振红外光谱仪测试，发现随着GO添加量的提高，PI纤维的分子链取向度逐步提高，取向度在0.1%GO添加量达到最大值。这是由于GO通过提高静电纺丝溶液电导率，增大了纤维在静电纺丝过程中的拉伸程度，从而提高了分子链取向度。

图3  (a)GO/PI石墨纳米纤维的XRD图谱；(b)石墨化度和平均晶格尺寸随GO浓度的变化图；(c)GO/PI石墨纳米纤维的拉曼图谱；(d)ID/IG随GO浓度的变化图

如图3所示，GO/PI石墨纳米纤维的XRD图谱显示（002）峰峰位发生右移，经计算，发现GO的添加提高了石墨纤维的石墨化程度和平均晶格尺寸。这是因为GO促进了PI的石墨化过程。GO/PI石墨纳米纤维的拉曼光谱显示D峰随着GO的添加逐渐减小，表明了石墨微晶的缺陷逐渐减少。

图4  (a) GO/PI石墨纳米纤维在不同测试温度下的热导率；(b) GO/PI石墨纳米纤维的平均热导率随GO浓度的变化图；(c) GO/PI石墨纳米纤维的电导率随GO浓度的变化图

如图4所示，通过稳态T型法测量得到GO/PI基石墨纤维的热导率，发现随着GO的添加，GO/PI基石墨纤维的热导率逐步提高，0.1%GO含量对应于最高的热导率，达到 331 Wm⁻¹ K⁻¹。同时，作者发现极少量 GO（0.1%）就可以显著提高 PI 基石墨纳米纤维的热导率。

New Carbon Materials文章信息

YUAN Ze-zheng, CHEN Wei, SHI Yun-kai, CHU Xiao-dong, HUANG Zheng-hong, GAN Lin, LI Jia, HE Yan-bing, LI Bao-hua, KANG Fei-yu, DU Hong-da. Thermal conductivity of graphite nanofibers electrospun from graphene oxide-doped polyimide[J]. NEW CARBON  MATERIALS, 2021, 36(5): 940-948.

袁泽正, 陈威, 时赟凯, 褚晓东, 黄正宏, 干林, 李佳, 贺艳兵, 李宝华, 康飞宇, 杜鸿达. 氧化石墨烯掺杂的电纺聚酰亚胺基石墨纳米纤维的导热性能[J]. 新型炭材料, 2021, 36(5): 940-948.

期刊官网：http://xxtcl.sxicc.ac.cn

国际版主页：https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials

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通讯作者简介

清华大学杜鸿达副研究员，广东省热管理工程与材料重点实验室副主任，福建永安市永清石墨烯研究院院长；主要从事热管理材料、高分子基复合材料及其应用的研究；发表SCI论文90多篇，论文引用4000多次，H因子35，授权国家发明专利30多项。在导热和耐磨复合材料、均热材料和鳞片石墨深加工等方面的均有成果进入产业化应用阶段。