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成果简介
聚合物纳米复合材料因其重量轻和设计自由度高而显示出作为热管理材料的巨大潜力。然而，通常无法在实际场景中集成高导热性、令人满意的机械性能甚至耐高温性。本文，南京大学 姚亚刚教授团队在《Carbon》期刊发表名为“Tailored carbon-based aramid nanofiber nanocomposites with highly anisotropic thermal conductivity and superior mechanical properties for thermal management”的论文，研究通过真空过滤诱导的自组装过程定制高性能碳基芳纶纳米纤维 (ANF) 纳米复合材料，以实现高度各向异性的热导率和卓越的机械性能。
所获得的 ANF 纳米复合薄膜表现出独特的分层结构，由 ANF 基体中水平堆叠的碳填料组成，从而实现了20.54Wm-1K-1的高面内热导率 仅20 wt%的石墨烯纳米片负载和超过100的各向异性因子。进一步的有限元模拟和高功率发光二极管芯片冷却的概念验证应用证明了所得纳米复合薄膜的出色散热性能。更重要的是，定制的ANF纳米复合薄膜表现出高机械强度、高柔韧性、出色的热稳定性和阻燃性，使其在各种电子设备的热管理应用中极具前景。
图文导读
图1。以 ANF/GN 纳米复合材料的制备过程示意图为例。
图2。(a) GNs和(d) CNT的SEM图像(g) GNs 和 CNTs 的拉曼光谱、(h) XRD 图案和 (i) 高分辨率XPS C1s光谱。
图3。(a) 原始Kevlar纤维的SEM图像。(b) 原始 ANF 和 (c) 重新质子化 ANF 的 TEM 图像。SEM 图像显示 (d) 纯ANF薄膜和 (e) ANF/20% GN 纳米复合薄膜的表面形态。插图显示了相应的照片。SEM 图像显示 (f) 纯 ANF 薄膜和 (g) ANF/20% GN 纳米复合薄膜的断裂形态。
图4。(a) ANF/20% GN 纳米复合膜在不同温度下的面内和面内热导率。(b) ANF/20% GN纳米复合膜在多个加热和冷却循环下的面内导热率。(c) 与样品和铝散热器集成的 LED 芯片的示意图和 (d) 实验配置的照片。(e) LED 芯片的表面温度随工作时间的变化和 (f) 相应的红外热图像。
图5、具有不同GN含量的ANF纳米复合薄膜的机械性能
图6。(a) GN、CNT、纯 ANF 薄膜和 ANF 纳米复合薄膜的 TGA 曲线。(b) 纯 ANF 薄膜和 ANF/20% GN 纳米复合薄膜的燃烧过程照片。
小结
综上所述，研究通过有限元模拟和大功率 LED 芯片冷却的概念验证应用展示了 ANF 纳米复合薄膜的出色散热性能。此外，定制的 ANF 纳米复合薄膜表现出高机械强度、柔韧性、热稳定性和阻燃性。这项研究为设计具有碳填料的多功能导热聚合物纳米复合材料提供了新的见解，并展示了它们在各种电子设备中的热管理应用的巨大潜力。
文献：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.07.078
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