碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料由于碳纤维的定向排列和树脂的低热导率(TC <0.6 W/(m∙K))，导致其平面内热导率较低，这严重限制了其实际应用。通过在树脂基体中添加填料并构建连续的热传导网络，可以有效提高热导率。然而，碳纤维表面粗糙度低导致界面性能不佳，且碳纤维铆接点之间的固有缺陷限制了面外热导率的提升，同时填料树脂间较差的相容性也容易造成内部缺陷，导致传热受限。制备具有双向高热导率的CFRP复合材料仍然是一个巨大的挑战。
针对上述问题，汪怀远教授团队通过设计制备了一种新型的CDs-EG/EP-CF@Cu复合材料。该材料由碳点（CDs）改性的膨胀石墨（EG）和铜改性的CF和环氧树脂组成，其中EG用于构建三维导热网络，CDs用于提高EG与环氧树脂界面的相容性，而通过电沉积技术优化界面并形成纳米级粗糙度的Cu改性CF。实验结果显示，这种复合材料具有高双向热导率（TC），包括面内热导率8.75 W/（m∙K）和面外热导率36.97 W/（m∙K）。此外，该复合材料还表现出优异的热响应性、电导率（18320 S m-1）、电磁干扰屏蔽性能（86.52 dB）以及良好的力学性能。此外，通过有限元模拟展示了材料结构设计和界面增强在复合材料中有效提升了热导率。本研究提出了一种新的方法，通过多尺度结构设计和界面强化来改善复合材料双向热传导性能。
近日，该研究成果以“A novel CFRP composite with bi-directional high thermal conductivity via quantum dots modified filler and electrodeposited Cu modified carbon fiber”为题发表在权威杂志《Carbon》上。论文第一作者为天津大学化工学院硕士研究生宁俊淇，通讯作者为天津大学化工学院博士后包迪和汪怀远教授。
1.填料改性及表征
图1. CDs的制备及填料改性：(a) CDs的透射电子显微镜(TEM)图像。 (b) CDs的粒径分布统计。(c) EG和CDs-EG的X射线光电子能谱(XPS)。(d-e) EG的C 1s和N 1s高分辨率光谱。(f) CDs、EG和CDs-EG的热重分析。（g-h）CDs-EG的C 1s和N 1s高分辨率光谱。(i) EG和CDs-EG的水接触角。
通过透射电镜观察了量子点CDs的形貌和粒径分布，通过XPS中C 1s、N 1s高分辨光谱的变化，热重曲线的变化，水接触角的下降，证明了CDs对填料EG的成功改性。
2.碳纤维的电沉积
图2. 碳纤维的电沉积过程：(a1-e1) 不同电沉积时间下CF表面的扫描电子显微镜(SEM)图像；(a2-e2) 不同电沉积时间下CF的原子力显微镜(AFM)图像；(f) CF的X射线衍射(XRD)分析。
通过SEM和AFM图像可以清晰看出碳纤维表面的形貌和粗糙度随电沉积时间的变化，并通过XRD验证了Cu的存在。
3.复合材料的热导率测试
图3.复合材料的热导率：(a) 不同填料含量的复合材料的热导率。(b) 三种复合材料在50 wt%填料含量下的热导率。(c) 不同电沉积时间下，CDs-EG/EP-CF@Cu复合材料的热导率。(d) 不同温度下，CDs-EG/EP-CF@Cu复合材料的热导率。(e) CDs-EG/EP-CF@Cu复合材料的热稳定性测试。(f)与其他研究的对比。(g)三种复合材料的有限元模拟。(h) 不同复合材料的传热机制图。
通过对复合材料的热导率测量可以看出，与EG/EP-CF复合材料 (面内热导率TC为26.15 W/(m∙K)，面外热导率TC为6.12 W/(m∙K))相比，CDs-EG/EP-CF的热导率有了显著提升, 由于界面相容性的改善，CDs-EG/EP-CF的面内和面外热导率分别达到了30.32 W/（m∙K）和7.12 W/（m∙K）。此外，通过电沉积技术，CDs-EG/EP-CF@Cu复合材料的热导率进一步提高，面内热导率达到36.97 W/（m∙K），面外热导率达到8.75 W/（m∙K），这进一步增强了EG/EP与碳纤维之间的界面连接。总体而言，界面强化使得复合材料内部的热传导网络更加致密，从而减少了声子散射。
4.复合材料的散热性能测试
图4.复合材料的散热：(a) LED散热装置示意图。(b) 不同复合材料LED的红外热成像图。(c) 不同复合材料LED的表面温度变化。(d) LED散热的有限元模拟。(e) LED在有限元模拟中的温度变化。(f) 容器的红外热成像图。(g) 容器的温度变化。
通过红外热成像观测不同复合材料上的器件表面温度变化，可以得出CDs-EG/EP-CF@Cu复合材料的散热性能最优，且有限元模拟也验证了这一结论。
将复合材料做成容器观测热水散热实验也可以看出，与纯树脂相比，CDs-EG/EP-CF@Cu材料制备的容器具有更好的散热性能。
5.复合材料的力学性能和电磁屏蔽性能
图5. 复合材料的力学性能和电磁屏蔽效果：(a) 不同复合材料的三点弯曲测试结果。(b) 不同复合材料的弯曲强度和弯曲模量。(c) 不同复合材料的硬度。(d) 不同填料含量的CDs-EG/EP-CF@Cu复合材料的电导率。(e-f) 不同填料含量的CDs-EG/EP-CF@Cu复合材料的电磁屏蔽效果。(g) 四种复合材料的电导率。（h-i）四种复合材料的电磁屏蔽效果。
除了双向高导热性能，CDs-EG/EP-CF@Cu复合材料还具有优异的电磁屏蔽性能和良好的弯曲强度。在70 wt%填料含量下，总电磁干扰屏蔽（SET）达到86.52分贝，这意味着该材料能够阻挡超过99.9999998%的电磁辐射，完全满足实际应用的需求。
本研究设计制备了一种新型多功能碳纤维增强聚合物复合材料CDs-EG/EP-CF@Cu，该材料含有碳点改性的环氧树脂（EG）和铜改性的碳纤维，具有双向高热导率（面内8.75 W/m K，平面内36.97 W/m K）。有限元模拟和红外热成像显示，由于聚合物基质中构建了3D热传导网络，以及填料与树脂之间良好的界面相容性，复合材料表现出优异的热响应能力。此外，通过电沉积引入铜，构建了纳米级异质结构表面，实现了碳纤维之间更加紧密的界面，这在碳纤维接合点处形成了更多的声子传输路径。这种优秀的界面性能使得热传递路径更加连贯，赋予复合材料在实际应用中卓越的热传导性能。在实际LED应用中，CDs-EG/EP-CF@Cu复合材料展现了高效的散热能力和出色的热稳定性。此外，该复合材料还具有优异的电磁干扰屏蔽能力（70 wt%填料含量时为86.52 dB）和良好的机械性能（弯曲强度超过457.3 Mpa，弯曲模量为61.3 GPa）。这种新型多功能CFRP复合材料具有巨大的潜力，有望应用于航空航天设备和电子设备的热管理领域。
全文链接：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120522
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