中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所碳纖維及其復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)聚丙烯腈（PAN）基高強(qiáng)高模碳纖維國產(chǎn)化技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作，總結(jié)出了誘導(dǎo)三維有序石墨結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵技術(shù)，這為高導(dǎo)熱高性能碳纖維的制備和生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo)。針對碳纖維復(fù)合材料受高熱阻樹脂基體阻隔及碳纖維各項(xiàng)異性影響所致的厚度方向?qū)嵯禂?shù)較低的問題（一般不超過1W/(m·K)），團(tuán)隊(duì)利用剛性棒狀聚合物聚對苯撐苯并雙噁唑（PBO）更易石墨化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了復(fù)合基碳纖維的制備策略，得到了具有更高取向度、結(jié)晶度的PBO衍生石墨結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對高導(dǎo)熱碳纖維及其復(fù)合材料的制備至關(guān)重要。
 
寧波材料高導(dǎo)熱PAN基碳纖維復(fù)合材料取得重要進(jìn)展
 
    首先，受同軸纖維策略啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)利用碳纖維表面改性技術(shù)，以氧化石墨烯（GO）作為接枝橋梁，在碳纖維表面均勻接枝高取向度和結(jié)晶度的PBO層；再通過進(jìn)一步石墨化，制備了同軸的PAN/PBO復(fù)合基碳纖維。所得單向PAN/PBO-CF環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)提高50%以上，達(dá)到82.86W/(m·K)；厚度方向?qū)嵯禂?shù)的提高率可達(dá)137%，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)2.54W/(m·K)。復(fù)合基碳纖維仍能保持良好的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度及模量可分別達(dá)4.58GPa和448GPa。
 
    為進(jìn)一步提升單向碳纖維復(fù)合材料的厚度方向?qū)嵯禂?shù)，團(tuán)隊(duì)人員在PAN基碳纖維表面構(gòu)建了三維雜化導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單向碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的連續(xù)突破。首先采用電沉積的方法在碳纖維表面生長鎳/碳納米管（Ni/CNT）交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以其為接枝橋梁并借助冷凍干燥技術(shù)在碳纖維表面生長三維取向的PBO/GO層，再經(jīng)高溫石墨化獲得具有三維高導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的復(fù)合基碳纖維。以其作為增強(qiáng)體，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的全厚度導(dǎo)熱系數(shù)提高至5.39W/(m·K)，解決了單向碳纖維復(fù)合材料全厚度方向?qū)嵯禂?shù)低的問題，為高性能碳纖維復(fù)合材料作為熱界面材料提供了更多可能。通過Agari理論計(jì)算模擬得到碳纖維的徑向?qū)嵯禂?shù)高達(dá)66.57W/(m·K)，與原PAN基碳纖維（2.51W/(m·K)）相比有了質(zhì)的飛躍，并驗(yàn)證了三維導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)更易于復(fù)合材料內(nèi)部導(dǎo)熱通路的形成，側(cè)面印證了復(fù)合材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)依賴于豐富的導(dǎo)熱通道。