碳纤维/聚合物复合材料热导率近十年研究进展
摘要：本文综述了过去十年间研究学者在提升碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料热导性能方面取得的进展。具体从聚合物复合材料的导热原理入手，重点分析了 CFs 自身对 CFRP 复合材料热导率的影响，包括含量、长度、取向等。此外，综述了提升 CFRP 复合材料热导率的四种方法，包括 CFs 表面改性，CFs 定向处理、加入导热填料以及构建三维连续导热通道等策略对改善 CFRP 复合材料热导率的作用。最后进行了展望，将CFs 同向排列并与多种形状尺寸的高热导率填料耦合构建连续的导热通道，制备低负载填料、高热导率的 CFRP复合材料将成为未来的研究方向，为下一代导热材料的开发和优化提供指导。
关键词：CFRP复合材料；导热填料；定向CFs；碳纤维表面改性；三维导热通路；热导率
碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber-reinforced Polymer, CFRP）复合材料是利用聚合物作为基体，CFs 或 CFs 织物作为增强体的复合材料，具有良好的机械性能、耐化学性和较低的热膨胀系数，近年来受到广泛关注，被用于电子封装热交换的理想材料，然而传统 CFRP 复合材料热导率低，致使集成电路在使用的过程中产生的热量难以快速散发，导致电子元器件老化、损伤，难以满足小型化和高功率器件的电子封装，因此，在不损害复合材料结构完整性的基础上提高 CFRP 复合材料的热导率是目前亟待解决的问题。
考虑到 CFRP 复合材料制备工艺、成本与性能和传热机制受聚合物的热特性影响，向聚合物中添加高导热填料或实现 CFs 定向是提升 CFRP 复合材料热导率的有效方法。
基于上述策略，学者们开发了四种方法：
一、CFs 与聚合物结合前或结合过程中将 CFs 同向排列；
二、在与聚合物基体结合前对 CFs 进行表面改性，并将高导热填料附着在 CFs 表面；
三、在与 CFs 结合之前将高导热填料加入聚合物基体，包括金属、陶瓷和碳基材料等；
四、与聚合物结合前将多种填料（零维、一维和二维）进行桥接或对齐处理，构成大量连续的导热通道结构，上述方法均能在不同程度上改善 CFRP 复合材料的导热性能。
此外，许多研究表明，填料自身的热物理性质、几何特性（形状和尺寸）和分布状态（分散系统或附着系统）也是决定导热率增强效率的重要因素。
本综述将从 CFRP 的导热原理入手，分析聚合物复合材料的导热原理，探讨 CFs 的长度、含量和对齐方式以及 CFs 表面改性、加入导热填料、构建连续导热通道等对 CFRP 复合材料的导热性能的影响，以期为学者进一步提升 CFRP 复合材料导热性能提供参考。
01
聚合物复合材料热传导原理
对于固体材料，热传导是其内部热量传输的主要方式，当同一物体内部存在温度差时，就会通过自由电子、声子（晶格振动的格波）或光子（电磁辐射）传输能量。大多数聚合物材料中的自由电子极少，不能成为导热载体，而光子传热需高温，也不能作为导热载体，因此声子传热是聚合物主要的热传导机制。
聚合物材料内部由非晶态组成，格波传播时，通过声子与声子之间以及声子与晶界、点阵缺陷等之间的碰撞传递到相邻的分子链上实现热传导。
理论上，常使用德拜方程计算聚合物的热导率：
λ=1/3 c𝑣𝑙̅（1）
式中，c 为单位体积比热容；𝑣为声子速度；𝑙̅为声子的平均自由程。𝑙̅是一个极小的常数，导致聚合物的热导率非常低。对于确定聚合物材料而言，c和𝑣是一个确定的值，但由于非晶材料内部分子排列是短程有序、长程无序结构，声子平均自由程被限制在几个晶胞间距内，因此，目前大幅提高聚合物材料热导率是一种挑战。
Kim 等人将具有高混溶性且可实现连接结构的两种聚合物进行混合，发现共混物可以产生致密和均匀分布的导热链，获得了更高的导热系数。此外，在聚合物中加入高导热填料也可以改善其热导率。例如，Wattanakul等人研究了 BN 填充环氧树脂（EP）的热导率，发现加入 28vol%的 BN 颗粒时，BN/EP 复合材料的热导率为 1.97 W/(m·K)。Choi 等人用铝（Al）和碳纳米管（CNT）复合粉末增强聚丙酸酯（PA）制备了较高热导率的 Al/CNT/PA 复合材料，添加80wt%的 Al/CNT，Al/CNT/PA 复合材料的热导率达到 1.67 W/(m·K)，比 PA 提升了 234%。
图 1（f）汇总了金属、陶瓷和碳材料等填料后CFRP 复合材料的热导率。可以看出，整体而言，陶瓷和碳材料在高负载下提升复合材料热导率更显著。图 1（g）为利用填料构建三维连续导热通路的 CFRP 复合材料的热导率，比未构建连续导热通路复合材料热导率均有不同程度的提升，原因归结为：构建的连续导热通路减小了填料之间的缝隙，增加填料之间的接触，减小界面热阻和声子散射。图 1（h）为 CFs 定向排列后 CFRP 复合材料热导率，同样的，CFs 定向处理比 CFs 随机分散的复合材料热导率均有不同程度的提高，原因归结为：同向排列的 CFs 构建了良好的导热通路，热流沿着 CFs 定向传递，大幅提升了复合材料的热导率。
02
CFs 含量、长度和取向对热导率的影响
CFs 是一种经碳化和石墨化得到的微晶石墨材料，具有高纵横比、低膨胀系数、高强度质量比、耐高温、耐磨、耐腐蚀、导电导热等优良性能，是聚合物基复合材料的最佳增强材料，然而，CFs的含量、长度和其取向均会对 CFRP 复合材料的热导率产生影响。
2.1 CFs 含量的影响
基于 CFs 的热导率远高于聚合物，通常情况下，CFs 的添加量和 CFRP 复合材料的热导率正相关，大量的研究也证实了这一点，例如 Keith 等人用 CFs 填充聚丙烯腈（PAN）制备了 CFs/PAN复合材料，实验结果表明：随着 CFs 含量增加，复合材料的面内和法向的热导率都在提升，当添加60wt%的 CFs 时，复合材料的面内热导率最高为2.46 W/(m·K)、法向的热导率为 1.04 W/(m·K)。
Wei等人通过简单的溶液共混法用 CFs 填充聚二甲基硅氧烷（PDMs）制备了 CFs/PDMs 复合材料，发现随着 CFs 含量的增多，复合材料的热导率大幅提高，当使用 20wt%的 CFs 时，复合材料的热导率达到 2.73 W/(m·K)，比纯 PDMs 的导热系数提高了约 1400%。
Wang 等人将 CFs 加入到聚异戊二烯（TPI）制备了 CFs/TPI 复合材料，发现随着 CFs 含量的增加，CFs/TPI 复合材料的热导率大致线性增长，当 CFs 的质量分数从 0%增加到 14%时，在 299 K 的温度下，复合材料的热导率增加了28%。
Cho 等人向聚酮（PK）中添加 CFs 制备CFs/PK 复合材料，发现当 CFs 的质量分数持续增大时，CFs/PK 复合材料的法向的热导率呈线性增加，面内方向的热导率呈指数增加，尽管添加的CFs 为非连续的随机取向，复合材料热导率具有各向异性的传热行为。
总体而言，添加 CFs 到不同的聚合物中，复合材料的热导率均会随 CFs 含量增加而增加，如图 2（a）所示，其原因主要归结为：具有高纵横比CFs 含量增多，其堆积得更密集，相邻 CFs 之间热传递距离缩短，减少了声子散射，使得复合材料的导热率逐渐提高，相比之下，对面内热导率的提升高于对法向热导的提升。
2.2 CFs 长度的影响
研究表明，当 CFs 含量相对较低时，较长的CFs 有利于形成更完整的导热链，从而促进复合材料内部导热通道的形成，AGARI 等人用 30vol%的 CFs 填充聚乙烯（PE），制备了不同纵横比（L/D）（L/D=1~45.3）CFs 的 CFs/PE 复合材料，发现随着 CFs 纵横比增大，复合材料的热导率逐渐升高。
当 CFs 含量相对较高时，较短的 CFs 容易分散并形成导向结构，促进复合材料热导率的提升。如Ghosh 等人用 5wt%的 CFs 填充酚醛树脂（PF）制备了 CFs/PF 复合材料，分别研究了 CFs 长度（1、2、3、4 和 5）mm 对 CFs/PF 复合材料热导率的影响，发现复合材料的热导率随着 CFs 的长度增加先升高后降低，当 CFs 的长度为 2 mm 时，复合材料的热导率最高为 50 W/(m·K)，这主要是由于 2mm 的 CFs 容易在复合材料中平行对齐，且易于分散，而更长的 CFs 则容易团聚，不利于声子的传输，从而降低了复合材料的热导率。简言之，CFRP复合材料的热导率不能完全依赖 CFs 的长度，过长的 CFs 将导致复合材料内部结构产生缺陷，使热导率下降。
2.3 CFs 取向的影响
CFs 的固有导热系数沿轴向可高达 900W/(m·K)，而在径向则低至 100 W/(m·K)，即轴向热导率大约比径向热导率高一个数量级，因此，CFs 在复合材料中的分布，尤其是 CFs 与复合材料法向夹角（0°~90°定义为取向）会影响复合材料的热导率。
正如 Fu 等人研究了 CFs 平均纤维夹角对 CFs/PK 复合材料热导率的影响，发现 CFRP热导率随着 CFs 夹角的增加而显著降低。Dong 等人采用有限元法对 CFs 增强 EP 复合材料的导热性能进行了模拟，得到相同的结论，随 CFs 取向减小，法向热导率增大。
基于 CFs 的取向对复合材料的热导率的影响，通过各种方法对 CFs 进行定向处理，使其更有序、同轴化（如图 1（d）所示），来改善 CFRP 复合材料的热导率，成为近年来的研究热点。
Li 等人通过施加应力场来同向排列 CFs 制备了 CFs/EP 复合材料，当添加 45wt%的 CFs，当施加应力场使得CFs 同向排列时，复合材料的热导率为 32.60W/(m·K)，比 CFs 随机分布的复合材料热导率（4.67W/(m·K)）提高了 598.07%。
除施加应力场外，还可以通过磁场、冷冻法或使用模板法实现 CFs 的定向。Ma 等人用定向冷冻法同向排列 CFs 与 EP 混合制备 3D-CFs/EP 复合材料，添加 13vol%的 CFs，复合材料的导热系数为 2.84 W/(m·K)，与 EP 热导率 0.19 W/(m·K)相比提高1394.74%，比同体积分数下随机分散的CFs复合材料热导率 1.10 W/(m·K)提升了 158.18%。
Ding 等人向硅橡胶（SR）中添加用磁场定向的碳纤维（o-MCFs），制备了 o-MCFs/SR 复合材料，当添加 9vol%的 o-MCFs 时，复合材料热导率为 4.72 W/(m·K)，比随机分散的 CFs 制备的复合材料的热导率 1.17 W/(m·K)提升了 303.42%。
Wu 等人采用重力驱动冰模板法将 CFs 沿水平方向排列并制备了具有同轴向排列的 CFs/EP复合材料，发现当添加 22.3vol%的 CFs，复合材料的热导率达到 7.98 W/(m·K)，比随机分散的 CFs 制备复合材料热导率 0.76 W/(m·K)提高了 950%。
Hou 等人采用定向冷冻技术定向处理 CFs制备了 CFs/PDMS 复合材料，发现添加 12.8vol%的 CFs 时，CFs/PDMS 复合材料热导率为 6.04W/(m·K)，比随机分散 CFs 制备的复合材料热导率1.81 W/(m·K)提升了 233.71%。
根据以上文献可知，同向排列的 CFs 具有较好的提升复合材料热导率的效果，这主要是因为CFs 定向后，热量沿着 CFs 轴向传递，使得复合材料的热导率大幅提升，对比上述数据可知，重力模板法定向 CFs 的效果更好，热导率提升率更大。除定向外，部分研究人员还通过对 CFs 进行编织来构建导热通道，提升复合材料的热导率。
Dong 等人研究了二维机织结构 CFs 增强EP 的热导率，二维机织复合材料在 3 个正交方向上的热导率表现出明显的各向异性。沿 CFs 轴向的热导率高于 CFs 径向的热导率，面内方向的热导率高于厚度方向的热导率。
Dong 等人通过有限元分析了三维编织 CFs增强 EP 复合材料热导率，结果表明：三维编织可提升厚度方向的热导率，使其高于面内方向的热导率，热流主要沿 CFs 轴向传递，复合材料的热导率随着温度升高而升高。
Gou 等人用有限元分析了三维编织 CFs 体积分数和内部编织角对 EP复合材料热导率的影响。复合材料厚度方向和面内方向的热导率随 CFs 体积分数的增加而增加，内部编织法向夹角减小导致厚度方向热导率的增加，面内热导率降低。
Zhao 等人研究了 2.5D 倾角互锁机织 CFs、2.5D 倾角（经向增强）互锁机织 CFs 和三维正交机织 CFs 增强 EP 复合材料热导率，三种复合材料热导率相比较而言，具有三维正交机织复合材料的热导率最高，热导率在经纱和纬纱方向上均表现出各向异性；2.5D 倾角（经向增强）互锁机织复合材料的热导率随着 CFs 体积分数的增加而逐渐增加。
上述文献表明：编织 CFs 能够在复合材料内部构建连续导热通路，提升复合材料的热导率，三维编织可提升厚度方向的热导率。
03
CFs 表面改性
CFs 表面具有较大的化学惰性，导致 CFs 与聚合物基体之间相容性比较差，易产生间隙，降低复合材料的热导率。对 CFs 表面进行改性，提高其表面活性，使其更好的与聚合物结合，减少接触间隙，有利于提高 CFRP 复合材料的热导率。
CFs 表面改性策略可分为几组：（1）使用“偶联剂”在 CFs 和基质之间形成化学键；（2）通过侵蚀纤维使纤维粗糙或用聚合物、MgO 等接枝纤维；（3）在纤维表面引入官能团进行表面活化；（4）采用与聚合物润湿性较好、热导率高的涂层材料对 CFs 表面形成均匀的涂层，与基体之间形成更密集的界面过渡区。
基于上述策略，常用的 CFs 表面改性方法主要有化学接枝、化学气相沉积法、电泳沉积法、电镀沉积法、化学镀和上浆剂改性等。
Zhang 等人将 MgO 纳米颗粒化学接枝到CFs 上构建 MgO-CFs 填料与尼龙-6（Nylon-6）制备了 MgO-CFs/Nylon-6 复合材料，添加 20wt%的MgO-CFs 时，复合材料的热导率最大为 0.78 W/(m·K)，比用单一 CFs 制备的 CFs/Nylon-6 复合材料的热导率提升了 23.81%。
Zheng 等人通过电泳沉积将 hBN 片和 Cu颗粒包覆在 CFs 表面构成 hBN-Cu@CFs 制备了hBN-Cu@CFs/EP 复合材料，当沉积时间为 3h，用12vol%的 hBN-Cu@CFs 填料，复合材料最高热导率为 2.16 W/(m·K)，比 CFs/EP 复合材料热导率0.68 W/(m·K)提升了 217.64%。
Wang 等人在 CFs 表面电泳沉积 0.85wt%碳化硅纳米线（SiCnws）构建 SiCnws@CFs 填料，再用化学气相沉积法在其表面接枝石墨烯（G）得到 G-SiCnws@CFs 制备了 G-SiCnws@CFs/EP 复合材料，在 4 h 化学气相沉积下，复合材料的热导率为 1.42 W/(m·K)，比 SiCnws-CFs/EP 复合材料热导率 1.04 W/(m·K)提高了 35.64%。
Li 等人用化学镀的方法制备了低含量镀银CFs（Ag@CFs）并制备 Ag@CFs/EP 复合材料，发现当 CFs 表面银镀层的厚度为 450 nm，添加 7wt%的 Ag@CFs，复合材料的热导率达 2.49 W/(m·K)，比未改性的 CFs/EP 复合材料提升了 162.10%。
Yu 等人在 CFs 表面电镀铜（Cu@CFs）并制备 Cu@CFs/EP 复合材料，采用 12vol%的铜时，复合材料热导率为 3.50 W/(m·K)，比 CFs/EP 复合材料热导率提升了 400%。
Cheng 等人采用 Fe3O4修饰氧化石墨烯（GO）组成纳米流体 GO@Fe3O4 上浆剂（命名为：GFNF），用此上浆剂改性的 CFs（GFNF@CFs）与 EP 制备GFNF@CFs/EP 复合材料，当用 2.5wt%的 GFNF上浆剂改性 CFs，制备的 GFNF@CFs/EP 复合材料的热导率达到最大值3.10 W/(m·K)，比原始CFs/EP复合材料热导率 1.35 W/(m·K)提升高了 129.63%。
上述文献的实验数据表明，CFs 表面不同改性方法均可在一定程度上提升 CFRP 复合材料的热导率，图 2（b）汇总了化学接枝和电镀法对 CFs表面改性后的微观形貌组织、CFs 表面改性后制备的 CFRP 复合材料的热导率以及比没有改性 CFs制备的 CFRP 复合材料热导率的提升率，总体而言，电镀法改性 CFs 可以大幅提升 CFRP 复合材料热导率。
04
导热填料的影响
除对 CFs 进行表面改性来提升复合材料热导率外，向 CFRP 复合材料中加入高导热填料备受关注。根据形状可将高导热填料分为颗粒填料、线状填料和片状填料。图 3 为颗粒、线状和片状填料加入 CFRP 复合材料导热机理的示意图。
对于颗粒填料而言，含量低时，颗粒与 CFs 彼此独立，不能形成连续的导热网络，含量高时，导热填料会增大与基体和 CFs 之间接触面积，作为相邻 CFs 之间热传导桥梁，缩短热传递路径，提高形成相互接触的导热通道概率，减少界面热阻，促进热量传输，提高复合材料的导热性能。
与颗粒状填料相比，线状和片状填料较容易与 CFs 形成接触，构建成连续的热传导网络，为热流创造高效传导途径，更有效地增强 CFRP 复合材料热导率。此外，将多种形状尺寸的填料进行耦合（如图 3（d））可以进一步增加热传导路径，提升热导率。
根据材料类型可将填料分为包括金属填料、陶瓷填料和碳基填料，部分上述填料的热导率如图 1（e）所示。各种填料对 CFRP 复合材料热导率的增强作用介绍如下：
4.1 金属填料
各种金属如Cu、Al、Ag等因自由电子的存在，具有很高的热导率，然而金属填料的耐腐蚀性差，易被水、大气和各种有机或无机溶剂腐蚀，此外，金属填料加入容易造成复合材料密度增加、导电性增强等，在一定程度上限制了其应用范围，因此用于提升复合材料的热导率的研究较少。
Lee 等人研究了 Al 颗粒和 Cu 颗粒提升CFs/EP 复合材料热导率的效果，发现添加 0.1wt%的 Al 颗粒，Al/CFs/EP 复合材料热导率为 1.46 W/(m·K)，比 CFs/EP 复合材料热导率 0.91 W/(m·K)提升了 60.44%；添加 0.01wt%的 Cu 颗粒，Cu/CFs/EP 复合材料热导率为 1.65 W/(m·K)，比纯CFs/EP 提高了 81.32%。
Wu 等人用银纳米颗粒（AgNPs）、一维银纳米 线 (AgNWs) 和 CFs 制 备 了 AgNWs/AgNPs@CFs/EP 复合材料，结果表明：AgNPs@CFs/EP 复合材料的热导率为0.48 W/(m·K) ，AgNWs/AgNPs@CFs/EP 复合材料热导率为 0.76W/(m·K)，比单一 CFs/EP 复合材料热导率 0.34W/(m·K)提升了 123.53%，比 AgNPs@CFs/EP 复合材料热导率提升了 58.33%。
4.2 陶瓷填料
高导热陶瓷填料目前应用较多的是 AlN、BN、Al2O3 和 SiC 等，它们具有很强的原子间键结和晶体结构可以显著减少声子散射，表现出高热导率。
Lee 等人采用氧化碳纤维（CF-OH）和 AlN颗粒混合填充赤藓糖醇-聚乳酸（ETPLA）制备了AlN/CF-OH/ETPLA 复合材料，当采用 50wt%的AlN 和 CF-OH 且二者质量比为 2：1 时，复合材料的热导率为 4.25 W/(m·K)，比 CF-OH/ETPLA 复合材料热导率 2.82 W/(m·K)提升了 50.71%。
Xu 等人用 hBN 提高 CFs/PE 复合材料的热导率，发现 hBN：CFs 的质量比 7:1 时，复合材料的热导率达到最大值 3.11 W/(m·K)。
Kumar 等人用 SiC 颗粒与 CFs 填充乙烯-丙烯-二烯（EPD）制备了 SiC/CFs/EPD 复合材料，当采用 20wt%的 SiC 和 10wt%的 CFs 制备的复合材料热导率最大为 0.21 W/(m·K)，比 CFs/EPD 复合材料的热导率 0.18 W/(m·K)提升了 34.4%。
Wang 等人制备了 Al2O3/CFs/EP 复合材料，当添加 74wt% Al2O3 和 6.4wt% CFs，复合材料的热导率为 3.84 W/(m·K)，比 CFs/EP 复合材料热导率的 1.48 W/(m·K)提升了 159.46%。
4.3 碳基填料
石墨烯（G）、石墨（GP）等一些碳的同素异形体及其衍生物在导热方面具有独特的优势，室温下块状石墨的热导率为 151 W/(m·K)，一维碳纳米管的热导率可达 3000~3500 W/(m·K)，二维石墨烯的热导率甚至达 5300 W/(m·K)。
基于碳材料优异的物理性能和一维、二维的独特结构，将其加入CFRP 复合材料中，作为传热介质的声子在填料和聚合物基体之间的界面上分散，使界面效应最大化，可增大 CFRP 复合材料的导热系数。
Zhao 等人将三维片状石墨烯泡沫（GF）与一维 CFs 制备了 GF/CFs/PDMS 复合材料，当添加10wt%的 GF 和 CFs 时，复合材料的热导率为 0.55W/(m·K)，比只用 10wt%的 CFs 制备的 CFs/PDMS复合材料热导率 0.39 W/(m·K)提升了 41.03%。
Senis 等人采用平均粒径 500 nm 的氧化石墨烯（GO）和 CFs 共混制备了 GO/CFs/EP 复合材料，采用 6.3vol%的 GO，复合材料的热导率为 0.83W/(m·K)，比同体积分数 CFs 制备的 CFs/EP 复合材料热导率 0.77 W/(m·K)提升了 7.80%。
朱等人以 CFs 和 CNT 混杂填充聚酰胺-6（PA-6），当添加 15wt% CFs 和 5wt% CNT 时，复合材料热导率最大为 1.40 W/(m·K)，比只添加 20wt%CFs 的 CFs/PA-6 复合材料热导率为 0.7 W/(m·K)提高了 100%。
Mazov 等人采用多壁碳纳米管（MWCNT）和 CFs 填充聚丙烯（PP）制备了 MWCNT/CFs/PP复合材料，当采用 4wt% MWCNT 和 36wt% CFs，复合材料的热导率最大为 1.9 W/(m·K)，比 CFs/PP复合材料热导率 1.23 W/(m·K)提升了 54.47%。
综上可知，不同类型填料提升 CFRP 复合材料的热导率提升效果差异较大。金属填料虽然自身热导率高，但会增加复合材料导电性，使其应用受限。相比之下，陶瓷填料比金属填料热导率低，其不导电，不会对复合材料导电性产生影响，可以通过高添加量提升与 CFs 的接触概率，形成连续导热通道，大幅提升 CFRP 复合材料的热导率。碳基填料自身热导率高，同时可借助不同形状尺寸的碳基填料与 CFs 之间相互耦合（线状与颗粒、线状与线状、线状与片状），增加导热通道，改善CFRP 复合材料的热导率。
05
构建连续导热通道
除表面改性和加入导热填料外，构建连续的三维导热网络结构也是获得高导热 CFRP 复合材料的有效方法。为了提高 CFRP 复合材料的导热系数，很多学者选择高纵横比填料，如一维纤维和晶须以及二维层状填料，它们容易形成连续和对齐的导热通路，使一维 CFs 与二维层状填料构成连续三维网络结构，该网络结构提供了丰富的热通路，能降低了界面热阻和减小声子的散射，从而提升 CFRP 复合材料的导热性能。
Wu 等人用二维 GP 作为粘结剂将 CFs 和碳毡（CC）黏结构建具有连续、多维导热通路的GP/CC/CFs 填料与 EP 制备了 GP/CC/CFs/EP 复合材料，当采用 17.48vol% CFs 和 6.34vol% GP 粘结剂，复合材料的热导率为 6.2 W/(m·K) ，比CC/CFs/EP 复合材料热导率提高了 195.24%。
Wang 等人也通过在相邻 CFs 之间形成连接点，采用电镀沉积法将有石墨涂层的 Ni 包覆在C/CFs 上，减小了原始 C/CFs 结构间隙与接触不牢固，形成具有连续、多通道导热的 Ni@C/CFs 导热骨架，研究了镀覆时间对 Ni@C/CFs/EP 复合材料热导率的影响，导热系数从 1.6 W/(m·K)（0 min）增加到 2.13 W/(m·K)（60 min），分别是 EP 的 8.89倍 11.8 倍，镀覆时间 60 min 热导率比原始 CFs/EP复合材料热导率提升了 33.13%。
Wang 等人选择 BN 连接相邻 CFs 缝隙，构建具有连续、多导热通道的 BN/CFs 导热骨架与 EP制备了具有连续导热通路结构的 BN/CFs/EP 复合材料，采用长为 10 mm、5vol%的 CFs 和 40vol%的 BN 制备的 BN/CFs/EP 复合材料导热系数高达3.1 W/(m·K)，比没有用 BN 粘结剂的 CFs/EP 复合材料热导率 0.6 W/(m·K)提升了 416.67%。
此外，填料的优良取向是复合材料获得高热导率的另一个重要方法，采用低负载填料构建具有相同取向的三维网络结构也可以制备高热导率的复合材料。如 Xu 等人采用氢键辅助冰模板组装法得到三维垂直排列连续、多通道导热的 GO-CFs 骨架并制备了 GO-CFs/PA-6 复合材料，当 GO与 CFs 的质量分数比为 1：9 时，复合材料的热导率高达 1.45 W/(m·K)，比 GO 和 CFs 随机分布的复合材料热导率 0.46 W/(m·K)提高了 215.22%。
Hao 等人在 CFs 表面通过电泳沉积了一层互连镍纳米粒子/碳纳米管(Ni-CNT)杂化网络（命名 Ni-CNT@CFs），将有同向排列的聚对亚苯基苯并双恶唑-氧化石墨烯（PBO-GO）垂直接枝到 Ni-CNT@CFs 表面与 EP 复合制备了 PBO-GO/Ni-CNT@CFs/EP 复合材料，当采用 55vol%CFs 时，复合材料的热导率为 5.39 W/(m·K)，比用单一填料Ni-CNT@CFs 制备的 Ni-CNT@CFs/EP 复合材料热导率 1.32 W/(m·K)提升了 308.33%。
上述文献表明，不同方法构建的三维连续导热通道复合材料均比未构建连续导热通路复合材料的热导率高，主要归因于三维连续导热网络通道的构建可以增加填料重叠面积，增加了声子耦合和界面之间的传热，减小填料之间的界面热阻。
06
结论
本文综述了过去十年研究学者在提升碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料热导率方面取得的研究进展，主要结论如下：
（1）CFs 自身的含量、长度和取向对 CFRP复合材料热导率有不同程度的影响。CFRP 复合材料热导率随 CFs 含量增加而增大；当 CFs 含量相对较低时，较长的 CFs 有利于形成更完整的导热链，当 CFs 含量相对较高时，较短的 CFs 容易分散并形成导向结构，促进复合材料热导率的提升；借助应力场、磁场、冷冻法或使用模板法对 CFs 定向处理，形成同向排列的 CFs 有利于提高 CFRP 复合材料的热导率。
（2）对填料和 CFs 进行表面改性，使 CFs 和填料与基体产生键合并减小接触间隙，减小了填料/基体界面处的界面热阻，可在一定程度上提高了 CFRP 复合材料热导率。
（3）不同类型高导热填料的引入都会提升CFRP 复合材料的热导率，其中陶瓷和碳基填料具有比金属填料更高的热导率提升效果；在大多数情况下，CFRP 复合材料中高导热填料的添加量大于 30wt%才能获得比较高的热导率。
（4）加入高纵横比填料，如一维纤维和晶须以及二维层状填料，使一维 CFs 与二维层状填料构成三维连续导热网络结构，能够降低界面热阻和减小声子的散射，可有效提升 CFRP 复合材料的热导率。
07
展望
目前，如何利用低负载量的填料提升 CFRP 复合材料的热导率成为一种挑战，未来需在该领域进行攻关。CFs 同向排列和构建连续的导热通道能大幅度提升 CFRP 复合材料热导率，因此，使 CFs同向排列并与多种形状尺寸的高热导率填料耦合构建连续的导热通道，制备出低负载填料、高热导率的 CFRP 复合材料将成为未来的研究方向，拓宽其应该用范围。
END
当前暂无评论，小编等你评论哦！
