【NCM封面文章】华东理工大学乔文明团队：聚酰亚胺辅助制备高定向石墨烯基全炭泡沫及其在导热聚合物复合材料中的应用

一、研究背景

随着5G和人工智能时代的来临，市场对于高功率电子器件的算力需求大幅上升，对应的热功耗和散热需求也在持续升高。由聚合物基底和导热填料组成的聚合物基热界面材料凭借化学稳定性好、易于加工和成本效益高等优点，在电子器件的散热方面得到了广泛的研究。在众多导热填料中，石墨烯及其衍生物因具备超高的面内热导率而广受青睐。其中，源于工业石墨烯导热膜尾料的石墨纳米微片（GNs）期望以导热填料形式被二次利用。对此，如何调控二维疏水GNs填料定向组装成三维有序导热骨架，用以提高聚合物复合材料的面外热导率值得研究。

二、工作简介

本文通过定向冷冻以及高温热退火工艺制备了竖直排列的聚酰亚胺/石墨纳米片（PG）导热骨架以提高聚合物复合材料的面外热导率。在该过程中，采用水溶性聚酰胺盐溶液直接分散疏水的GNs，热亚胺化后获得的聚酰亚胺在辅助GNs定向排列的同时经石墨化处理转变为人造石墨。同时，GNs的引入提高了PG骨架的有序度和密度，进一步提高了聚二甲基硅氧烷（PDMS）基复合材料的强度和导热性能。

三、研究背景

图1为PDMS/PG复合材料的制备示意图，主要包括的PG泡沫的冰模板铸造过程，后续的高温热退火过程以及PDMS/PG复合材料的真空浸渍过程。

图1  PDMS/PG复合材料的制备示意图

随着WPAA浓度的增加，PDMS/P_xG₀复合材料的面外热导率值逐渐上升，这归因于填料含量的增加，但这种改善程度有限。相比较于WPAA浓度变化，GNs的添加极大改善了复合材料的传热性能，尤其是材料的面外方向。例如，PDMS/P₅G₀、PDMS/P_7.5G₀和PDMS/P₁₀G₀的面外热导率分别为1.78、1.87和2.38 W·m⁻¹·K⁻¹。仅添加2.5 w%的GNs后，对应的面外热导率分别增至6.37、10.95和14.56 W·m⁻¹·K⁻¹。同样，GNs的添加对于对应复合材料的面内热导率也有不同程度的提升。综合来说，PDMS/P₁₀G_2.5复合材料的导热性能最优。此外，PDMS/P₁₀G_2.5还表现出较高的传热各向异性，其面外和面内热导率之比（R_T/I）达到了4.26。将PDMS/P₁₀G_2.5复合材料从室温加热到80 °C再冷却，然后循环该过程并记录对应温度点的面外热导率，材料的面外热导率值分别维持在14.83 – 15.01 W·m⁻¹·K⁻¹和13.16 – 13.37 W·m⁻¹·K⁻¹的窄区间范围内，表明其具备高的传热稳定性。

图2  (a-c) PDMS/PG复合材料的热导率以及面外热传导增强系数；(d) PDMS，PDMS/P₁₀G_2.5和PDMS/dP₁₀G_2.5的热导率和各向异性比值；(e) PDMS/P₁₀G_2.5的面外热导率与其他报道的聚合物/石墨烯复合材料的比较；(f) 加热和冷却循环过程中PDMS/P₁₀G_2.5的面外热导率变化

四、结论

本文通过定向冷冻和热退火方法预先构建各向异性的三维对齐石墨框架PG，然后浸渍PDMS，制备出了具有优异面外导热性能的PDMS/PG复合热界面材料。通过改变WPAA浓度和GNs的用量来调控PG的结构和密度。结果表明，当PG含量为21.1 wt%时，PDMS/P₁₀G_2.5复合材料表现出最佳的综合性能，其面外热导率达14.56 W·m⁻¹·K⁻¹，是纯PDMS的81倍，对应的热传导增强系数为378%。此外，PDMS/P₁₀G_2.5还具有优异的热稳定性，满足电子设备在宽温度范围内的长期散热需求。

文章信息

XIONG Ke, SUN Zhi-peng, HU Ji-chen, MA Cheng, WANG Ji-tong, GE Xiang, QIAO Wen-ming, LING Li-cheng. Polyimide-assisted fabrication of highly oriented graphene-based all-carbon foams for increasing the thermal conductivity of polymer composites[J]. New Carbon Mater., 2024, 39(2): 271-282.

熊科, 孙智鹏, 胡吉辰, 马成, 王际童, 葛翔, 乔文明, 凌立成. 聚酰亚胺辅助制备高定向石墨烯基全炭泡沫及其在导热聚合物复合材料中的应用[J]. 新型炭材料（中英文）, 2024, 39(2): 271-282.

通讯作者简介

乔文明

华东理工大学化工学院教授、博士生导师。曾在南京理工大学、中国科学院山西煤炭化学研究所、日本九州大学学习和工作，于2008年入选教育部新世纪优秀人才计划，于2013年入选上海市优秀技术带头人计划。主要从事新型炭材料(如PAN基活性炭织物、炭纤维织物、球状活性炭、超级活性炭、碳纳米纤维、导热炭材料等)的研究、工程化制备技术和应用开发，在国内外核心学术刊物上发表研究论文200余篇，曾获得省部级科技进步奖二等奖1项。