短切碳纖維是由碳纖維長(zhǎng)絲經(jīng)纖維短切而成，相較于碳纖維長(zhǎng)絲可以更均勻地分散在基體材料中。短切碳纖維不僅具有超高的機(jī)械強(qiáng)度、較低的密度及良好的熱穩(wěn)定性，而且是一種性能優(yōu)異的導(dǎo)熱材料，是提高聚合物材料導(dǎo)熱性能的理想導(dǎo)熱填料。但是，一維材料存在嚴(yán)重的導(dǎo)熱各向異性，如何充分控制短切碳纖維在聚合物基體材料中呈豎直取向，從而充分利用碳纖維的軸向高導(dǎo)熱性能得到具有優(yōu)異縱向熱導(dǎo)率的復(fù)合材料是研究的關(guān)鍵。常用的方法是通過(guò)對(duì)短切碳纖維施加外電場(chǎng)，使碳纖維沿豎直方向取向。但是這種方法需要較強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度且工藝較為復(fù)雜，另外復(fù)合材料厚度受限于纖維的長(zhǎng)度，較難得到厚度適宜的導(dǎo)熱復(fù)合材料。
基于上述問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所表面事業(yè)部功能碳素材料團(tuán)隊(duì)通過(guò)利用單軸溫度場(chǎng)下冰晶的定向引導(dǎo)作用，使得短切碳纖維沿豎直方向取向，得到了具有“微蘆葦叢”結(jié)構(gòu)的碳纖維多孔泡沫，其制備流程和微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。“微蘆葦叢”結(jié)構(gòu)充分利用碳纖維的軸向高導(dǎo)熱增強(qiáng)聚合物材料的導(dǎo)熱性能。該方法制備的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率高達(dá)6.04 Wm-1.K-1，并且得到的復(fù)合材料具有良好的柔順性，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的聚合物材料解決電子電氣設(shè)備的散熱問(wèn)題。
圖1 (a) 復(fù)合材料制備流程示意圖，(b) CF的SEM圖及尺寸分布圖， (c-d) 蘆葦叢圖片，(e) CF foam的微觀形貌圖。
相關(guān)工作已發(fā)表在化工領(lǐng)域的核心期刊（Chem. Eng. J., 2019, 375, 121921），并獲得國(guó)家自然科學(xué)基金（51573201和U1709205）、浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃（2016C31026）和3315創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目資助。
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