天津大学封伟团队：可控导热、导电、兼顾回弹性的聚酰亚胺复合材料

一、引言

压缩变形下热导率和电导率可控的弹性材料可以适用于柔性压阻器件，如传感器、致动器、探测器等。这些器件的性能主要取决于它们关键材料的电/热敏感性、响应性、弹性及循环稳定性等。此外，高模量和热稳定性也决定了它们在恶劣环境下的适用性，例如在强大的外力或高温下。由于聚合物强度-弹性(压缩性/回弹性)的权衡，同时获得高模量和良好的弹性对材料来说是一个很大的挑战。在热塑性弹性体中，虽然材料具有良好的柔弹性，但柔性链的自由运动也会导致材料的机械载荷低、耐热性差和易老化。相反，高模量聚合物虽然具有高强度和良好的耐高温性能，但分子链间相互作用(缠结和交联)限制了链段的运动，从而降低压缩性和回弹性。

聚酰亚胺作为一种重要的工程材料，具有独特的热稳定性能和力学性能，由于其轻质、高化学稳定性、低介电常数和优异的力学性能，被广泛应用于许多领域。但其电/热绝缘性也严重限制了其应用范围。有很多文献报道了通过复合导热/导电填料来提高聚酰亚胺的导热性能和导电性能，但绝大多数都是研究制备聚酰亚胺的膜、纤维状材料。如何实现刚性分子结构的聚酰亚胺同时兼顾导热、导电、回弹性是一个巨大难题。

二、成果简介

近日，天津大学材料科学与工程学院封伟教授团队通过构建石墨烯交联碳纳米管的三维杂化网络，制备出一种具有可控导热、导电和回弹性的聚酰亚胺复合材料。这种功能复合材料同时具有应力敏感的热/电传输性能，使其可以应用于高效热界面材料和压阻式传感器。其中，通过对碳管网络均匀包覆聚酰亚胺层，以聚酰亚胺作为固体碳源，利用高温石墨化使其转化为石墨烯结构，得到共价键连接的三维杂化碳骨架。再以这种三维连续碳骨架作为一个弹性模板和传导网络，通过层层包覆技术控制聚酰亚胺的含量，制备出一系列不同弹性的聚酰亚胺复合材料。其导热系数在0.325 W/mK ~10.89 W/mK可调，1MPa应力下可压缩率在2.2%~49.9%之间可调（弹性可调），可以根据不同的应用场所选择不同性能的复合材料，极大地拓宽了该材料的应用范围。该工作近期以“Stress Controllability in Thermal and Electrical Conductivity of 3D Elastic Graphene-Crosslinked Carbon Nanotube Sponge/Polyimide Nanocomposite”为题发表在期刊Advanced Functional Materials上（DOI：10.1002/adfm.201901383），第一作者为博士研究生张飞，通讯作者为封伟教授，共同通讯为冯奕钰教授。

三、图文导读

图1. 通过构建三维杂化网络可控制备聚酰亚胺复合材料的过程示意图

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图2. 石墨烯焊接的三维碳网络结构的微观照片

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图3 不同包覆量的Gw-CNT/PI复合材料的微观形貌

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图4 Gw-CNT/PI复合材料的可控压缩弹性性能

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图5 Gw-CNT/PI复合材料的可控导热性能

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图6 Gw-CNT/PI复合材料导热性的有限元模拟

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图7. Gw-CNT/PI复合材料压力敏感的导电性能

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四、文章小结

通过CVD制备出不同密度的碳纳米管海绵体，以此作为基础三维结构，再以聚酰亚胺层作为碳源，通过热解石墨化处理在碳管结点处引入石墨烯，得到了三维连续石墨烯/碳纳米管杂化骨架（Gw-CNT）。以这种三维碳骨架作为导热网络和弹性模板，通过层层包覆技术控制聚酰亚胺的含量，制备出密度可调（75.5mg/cm3 ~ 1210 mg/cm3）的聚酰亚胺复合材料。其中，Gw-CNT连续网络赋予了材料良好的导热性能，同时，通过层层包覆技术，可以赋予刚性的聚酰亚胺可控的弹性性能。该制备技术解决了高模量聚合物复合材料无法实现高导热和弹性的兼顾，拓宽了其应用范围。

五、团队成果介绍

有效的热控系统在能源化工、通讯卫星、高速飞行器及人工智能等领域都发挥重要作用。导热复合材料作为热控系统的关键部件，直接影响着传热的效率。近年来，本团队以高导热纳米碳材料为研究基础，针对碳基导热复合材料的制备及力热性能优化进行了大量的研究工作。从高导热碳/碳复合材料到碳/聚合物复合材料、从定向高导热到各向同性的导热复合材料、从高强度到柔/弹性导热复合材料，都取得了一系列的研究成果，主要成果包括：[1]通过构建石墨焊接的碳纳米管三维网络，以热塑性弹性体作为基体，制备高导热、高弹性的聚合物复合材料（Carbon, 2019, 145:378-388）；[2]通过构建了超弹性石墨烯@密胺双连续三维网络，结合高分子基体的浸渍与固化制备高导热复合材料（Advanced Functional Materials, 2018, 28(45): 1870324）；[3]利用多级碳纤维-定向碳管阵列构筑兼顾各方向导热柔性硅橡胶复合材料（Carbon, 2018, 131:149-159）；[5]抗氧化高导热碳纤维/碳化硅复合材料的制备（Carbon, 2017, 116:83-93）；[7, 9]通过石墨层间生长碳纳米管制备厚度方向高导热的石墨材料（Carbon, 2016, 104:157-168; Carbon, 2014,77:1054-1064）。同时，[4, 6, 8]本团队针对高导热碳复合材料的研究发表多篇综述性文章（Composites Communications, 2018, 9: 33-41; Carbon,2016, 109:575-597; Composites PartA: Applied Science & Manufacturing, 2016,91:351-369）。