【摘 要】
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随着智能电子设备在各行各业的快速普及,高功率和高度集成化成为电子设备发展的重要方向,而散热成为限制设备快速发展的障碍。因为独有的质量轻、易加工以及成本低的优点使得聚合物材料大量应用到电子设备上,但聚合物本身的导热系数低至0.2 W·m-1·K-1,因此,多种高导热系数的纳米材料如石墨、碳纳米管、氮化硼、石墨烯等为了提升复合材料的导热性能而被引入聚合物中,其中碳纤维（CF）凭着优异的轴向导热系数也受
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随着智能电子设备在各行各业的快速普及,高功率和高度集成化成为电子设备发展的重要方向,而散热成为限制设备快速发展的障碍。因为独有的质量轻、易加工以及成本低的优点使得聚合物材料大量应用到电子设备上,但聚合物本身的导热系数低至0.2 W·m-1·K-1,因此,多种高导热系数的纳米材料如石墨、碳纳米管、氮化硼、石墨烯等为了提升复合材料的导热性能而被引入聚合物中,其中碳纤维（CF）凭着优异的轴向导热系数也受到越来越多研究者的关注。本课题基于碳纤维与聚合物复合研究制备轻质高强的高导热复合材料:合成了一种离子液体1-氨丙基-3-甲基咪唑溴盐（[APMIm]Br）,通过离子液体非共价改性碳纤维表面,并研究离子液体改性的碳纤维（IL@CF）在生物基尼龙56（PA56）和环氧树脂（EP）两种基体中构筑的阳离子-π和氢键的双重非共价作用,并研究其对IL@CF/PA56和IL@CF/EP复合材料的导热性能和力学性能的影响规律和作用机理。具体研究内容如下:（1）采用熔融共混/热压法制备离子液体[APMIm]Br改性碳纤维（IL@CF）/PA56复合材料。当填充25 wt%未改性CF时,CF/PA56垂直方向和水平方向的导热系数分别为0.747和1.974 W·m-1·K-1,是纯PA56的1.5倍和3.96倍。而当填充25 wt%IL@CF时,IL@CF/PA56在垂直方向和水平方向的导热系数提高至1.287 W·m-1·K-1和2.474 W·m-1·K-1,是纯PA56导热系数的2.58倍和4.97倍,说明掺入改性的碳纤维后,不仅显著提高了轴向上的导热系数,而且横向上的导热系数也得到了很大的提升。究其原因,可能是碳纤维经非共价改性后在复合材料体系中构筑了阳离子-π和氢键的双重作用,这种接近共价键强度的非接触化学力在显著改善CF分散性的同时,有效降低碳纤维与PA56基体之间的界面热阻,有助于在聚合物基体和导热填料之间形成热传递的通道,这不仅显著提高水平方向导热系数,而且垂直方向导热系数也有较大幅度提升。偏光显微镜和DSC分析显示,添加一定量的碳纤维可以起到异相成核剂的作用,晶粒尺寸减小,结晶温度明显升高,结晶和熔融焓增大。而离子液体改性碳纤维的加入使复合材料结晶峰和熔融峰变窄,结晶更趋于完善。拉伸试验结果表明,改性碳纤维与PA56之间形成的氢键和阳离子-π作用可以有效增强填料与基体之间的界面结合力,当填充量25 wt%时,IL@CF/PA56拉伸强度、断裂伸长率、弹性模量均大幅提升。（2）将离子液体[APMIm]Br改性的碳纤维利用冰模板法制备得到有序取向的多孔碳纤维骨架（O-CF）,通过浇铸环氧树脂制备得到改性碳纤维/环氧树脂复合材料（O-IL@CF/EP）。取向的碳纤维骨架在环氧树脂基体中构建了有序的导热网络,改性碳纤维表面的阳离子-π非共价作用以及碳纤维与环氧树脂之间的氢键有效降低界面热阻,提高界面结合力,为环氧复合材料带来优异的导热和力学性能。通过碳纤维的体积分数调节碳纤维骨架的密度,当O-IL@CF填充量为22.3 vol%时,O-IL@CF/EP复合材料平面导热系数最高达到7.98 W·m-1·K-1。拉伸实验结果表明因双重非共价协同作用使得O-IL@CF/EP复合材料具有优异的力学性能,其拉伸强度达到40.62 MPa,比O-CF/EP复合材料在同一填料体积分数增加30.7%。比强度达29.6 Nm/kg,较纯环氧树脂提高168%。同时O-IL@CF/EP复合材料的断裂伸长率和弹性模量也较O-CF/EP复合材料明显提高。本课题在碳纤维比强度高的基础上,在碳纤维表面构筑阳离子-π非共价作用力和与基体之间的氢键作用力,再根据基体的自身加工特点,通过不同的加工方式制备轻质高强的碳纤维导热复合材料,为碳纤维的表面改性提供一种新思路,也为制备高导热碳纤维复合材料提供一种切实可行的方法。
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