一、引言

应力敏感导热弹性材料是可穿戴传感器、人造皮肤等柔性热敏感器件设计和制造的基础材料。这种柔性器件主要依靠循环拉伸或抗压强度下的应变控制导热。然而,根据牛顿−拉普拉斯方程k ≈ (E/ρ)1/2(CV /3),导热和弹性是两个相互矛盾的性能,很少有材料可以同时表现出高导热系数(k)和良好的弹性性能。利用多尺度导热填料和弹性体复合被认为是制备应力敏感导热材料的有效方法。

近年来,宏观尺寸的多孔碳纳米管及石墨烯的三维结构由于其优异的导热性能和弹性性能受到了广泛关注。通过CVD生长的碳纳米管海绵体是一种由碳纳米管相互缠绕形成的三维碳材料,虽然碳纳米管具有极高的导热系数(≥3000 W m−1 K−1),但这种三维的碳管网络结构导热系数却很低(< 0.16 W m−1 K−1)。造成这种现象的一个主要原因,就是在碳管海绵体中,管与管之间缺乏有效连接,造成个体碳管之间形成较大的界面热阻,无法形成一个真正互通的导热网络。如何增强碳管之间的连接是提高其导热性能的关键。

二、成果简介

最近,天津大学材料学院封伟教授团队采用弹性的PDMS作为聚合物基体、石墨焊接的三维碳纳米管网络(w-CNT)作为导热填料,制备获得了兼具各向同性高导热及弹性的复合材料。通过对碳管网络均匀包覆聚丙烯腈(PAN),再以PAN 为固体碳源,利用高温处理使其转化为石墨结构,使得碳管之间形成石墨焊接结构,增强管间连接,同时提高三维结构的整体性及稳定性。石墨焊接的碳纳米管在PDMS基体中形成互联导热网络,提高了复合材料的导热性能,同时弹性的聚合物基体及w-CNT骨架协调作用,赋予材料良好的弹性及柔性。该工作近期以“Stress-sensitive thermally conductive elastic nanocomposite based on interconnected graphite-welded carbon nanotube sponges”发表在期刊Carbon上。文章的第一作者是张飞博士研究生,共同通讯作者是封伟教授冯奕钰教授

三、图文导读

图1 复合材料的制备流程图

天津大学《Carbon》:石墨“焊接”碳管提高碳复合材料的弹性导热率-复合材料网

图2 石墨焊接的碳纳米管三维网络的微观形貌及压缩弹性测试

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图3 w-CNT/PDMS复合材料的微观形貌

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图4 w-CNT/PDMS复合材料的压缩弹性测试

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图5 w-CNT/PDMS复合材料的导热性能测试

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图6 w-CNT/PDMS复合材料在压缩状态下的导热性能测试

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图7 基于压力敏感的导热性能,w-CNT/PDMS复合材料应用于非电类传感器

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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PAN作为碳源在碳管网络中引入石墨结构,得到了不同密度的石墨层焊接纳米管三维网络。以弹性的PDMS为聚合物基体,以w-CNT为互通导热网络,通过均匀复合材技术制备了兼顾高导热和高弹性的w-CNT/PDMS复合材料。当w-CNT的含量为4.57 wt%,复合材料导热系数可以达到8.46 W m−1 K−1。同时,复合材料表现出应力敏感的导热性能,当对复合材料施加4Mpa的应力时,其导热系数可以提高55%。良好的弹性可以使复合材料在应用过程中有效地降低界面热阻,提高导热效率。同时,复合材料表现出稳定的力学性能,可以忍受100000次的压缩及拉伸循环而不被破坏。w-CNT/PDMS复合材料优异的弹性、柔性及应力敏感的高导热性,使其可以用于制备一种非电类的应力传感器。

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,封伟教授团队以高导热碳材料为研究基础,针对碳纳米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,成果主要包括:[1]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 Materials2018, 28(45): 1870324.);[2]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Carbon2018, 131: 149-159);[4]抗氧化高导热碳纤维/碳化硅复合材料的制备Carbon2017, 116:83-93);[6, 8]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,[3,5,7]该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 Communications2018, 9: 33-41; Carbon2016, 109:575-597; Composites Part A: Applied Science & Manufacturing2016, 91:351-369)。

发表论文:

[1] Qin M, Xu Y, Cao R, et al. Efficiently Controlling the 3D Thermal Conductivity of a Polymer Nanocomposite via a Hyperelastic Double‐Continuous Network of Graphene and Sponge[J]. Advanced Functional Materials, 2018, 28(45): 1805053.

[2] Ji T, Feng Y, Qin M, et al. Thermal conductive and flexible silastic composite based on a hierarchical framework of aligned carbon fibers-carbon nanotubes[J]. Carbon, 2018, 131: 149-159.

[3] Zhang Z, Qu J, Feng Y, et al. Assembly of graphene-aligned polymer composites for thermal conductive applications[J]. Composites Communications, 2018, 9: 33-41.

[4] SC Chen, YY Feng, MM Qin, TX Ji, W Feng. “Improving thermal conductivity in the through-thickness direction of carbon fiber/SiC composites by growing vertically aligned carbon nanotubes”, Carbon, 2017, 116:83-93.

[5] W Feng, MM Qin, YY Feng. “Toward highly thermally conductive all-carbon composites: Structure control”, Carbon, 2016, 109:575-597.

[6] MM Qin, YY Feng, TX Ji, W Feng. “Enhancement of cross-plane thermal conductivity and mechanical strength via vertical aligned carbon nanotube@graphite architecture”, Carbon, 2016, 104:157-168.

[7] TX Ji, YY Feng, MM Qin, W Feng. “Thermal conducting properties of aligned carbon nanotubes and their polymer composites”, Composites PartA: Applied Science & Manufacturing, 2016, 91:351-369.

[8] W Feng, MM Qin, P Lv, JP Li, YY Feng. “A three-dimensional nanostructure of graphite intercalated by carbon nanotubes with high cross-plane thermal conductivity and bending strength”, Carbon, 2014, 77:1054-1064.