宁波材料所在高导热PAN基碳纤维复合材料领域取得重要进展

 近期，中科院宁波所张永刚团队开展了聚丙烯腈（PAN）基高强高模碳纤维国产化技术的基础研究工作，总结出了诱导三维有序石墨结构形成的关键技术，为高导热高性能碳纤维的制备和生产提供了理论指导。

针对碳纤维复合材料受高热阻树脂基体阻隔及碳纤维各项异性影响所致的厚度方向导热系数较低的问题，利用刚性棒状聚合物聚对苯撑苯并双噁唑（PBO）更易石墨化的结构特点，设计了复合基碳纤维的制备策略，得到了具有更高取向度、结晶度的PBO衍生石墨结构，该结构对高导热碳纤维及其复合材料的制备至关重要。

团队利用碳纤维表面改性技术，以氧化石墨烯（GO）为接枝桥梁，在碳纤维表面均匀接枝高取向度和结晶度的PBO层；再通过进一步石墨化，制备同轴PAN/PBO复合基碳纤维（形貌如图1）。所得单向PAN/PBO-CF环氧树脂基复合材料的面内导热系数提高50%以上，达到82.86 W/(m·K)；厚度方向导热系数提高137%，导热系数达2.54 W/(m·K)。复合基碳纤维力学性能优异，拉伸强度及模量分别可达4.58 GPa和448 GPa。

图1 PAN/PBO复合基碳纤维的形貌特征

为进一步提升单向碳纤维复合材料的厚度方向导热系数，研究人员在碳纤维表面构建了三维杂化导热结构，实现了导热性能连续提升。

首先采用电沉积法形成镍/碳纳米管（Ni/CNT）接枝桥梁，利用冻干技术在碳纤维表面原位生成三维取向PBO/GO层，再经高温石墨化得到具有三维高导热结构的复合基碳纤维。

复合基碳纤维增强环氧树脂复合材料的全厚度导热系数提高至5.39 W/(m·K)，解决了厚度方向导热系数低的问题，为高性能碳纤维复合材料作为热界面材料提供了更多可能。通过Agari理论计算模拟得到碳纤维的径向导热系数高达66.57 W/(m·K)，与原PAN基碳纤维（2.51 W/(m·K)）相比有了质的飞跃，并验证了三维导热结构更易于复合材料内部导热通路的形成，侧面印证了复合材料内部的热传导依赖于丰富的导热通道（图3）。