磁场诱导定向的CF@PDA@CoFe?O?/PDMS复合材料：具有优异的热导率和电磁干扰屏蔽性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Magnetic-Field-induced Oriented CF@PDA@CoFe 2O 4/PDMS Composites with Enhanced Thermal Conductivity and Electromagnetic Interference Shielding Performance

磁控定向多酚复合碳纤维/聚二甲基硅氧烷复合材料制备及其热电管理与电磁屏蔽性能研究。通过聚多巴胺包覆和钴铁氧体共沉淀制备具有高磁响应性的CF@PDA@CoFe2O4填料，利用0.9T磁场实现垂直定向排列，优化后的CPCoFe40/PDMS-0.9T复合材料在热导率达17.92 W·m?1·K?1，界面热阻2.85 °C·cm2·W?1，电磁屏蔽效能56.34 dB，覆盖Ku/K/Ka频段。研究提出磁场调控碳纤维取向的绿色工艺，为5G/6G通信、新能源汽车等高功率密度电子器件开发多功能复合材料提供新策略。

　　

Kunjun Zhuang|Geng Li|Chengzhen Xie|Xinghua Jiang|Jianhua Guo

华南理工大学材料科学与工程学院，中国广州510640

摘要

现代电子产品的微型化及功率密度的提高，加剧了对兼具高导热性和有效电磁干扰（EMI）屏蔽性能的多功能复合材料的需求。基于间距的碳纤维（CFs）因其优异的轴向导热性和导电性而成为有前景的候选材料。然而，其随机分布限制了各向异性特性的充分发挥。为了解决这一问题，首先用多巴胺（PDA）对CFs进行涂层处理，然后再涂覆钴铁氧体（CoFe₂O₄），从而制备出CPCoFe（CF@PDA@CoFe₂O₄）填料。通过施加均匀磁场，使这些填料在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体中排列整齐。系统研究揭示了磁场强度和填料含量对导热性和EMI屏蔽性能的协同作用。优化后的CPCoFe40/PDMS-0.9复合材料实现了17.92 W·m?1·K?1的高平面导热率、2.85 °C·cm2·W?1的低界面热阻，以及56.34 dB的优异EMI屏蔽效果，并在Ku、K和Ka频段表现出宽带屏蔽性能。这些结果表明，磁取向的CPCoFe/PDMS复合材料为下一代热界面材料和EMI屏蔽应用提供了有希望的解决方案。

引言

5G通信技术的最新创新、智能设备的发展以及新能源汽车的兴起，推动了现代电子元件向更高集成度、更大功率密度和更轻量化设计的演进[1]、[2]、[3]。这一趋势带来了两个关键技术难题：强烈的电磁干扰（EMI）辐射和不足的散热效率[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。特别是电子设备的高功率运行会导致大量热量积聚。如果没有有效的散热措施，这将直接损害设备的运行稳定性、能量转换效率和服务寿命。此外，电子设备在运行过程中产生的电磁辐射还可能引发附近设备的故障，并对健康构成潜在风险[9]、[10]、[11]、[12]。因此，迫切需要开发具有优异导热性和有效EMI屏蔽能力的新多功能复合材料。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其出色的加工性、显著的柔韧性和优异的稳定性而在热管理领域得到广泛应用。然而，其非晶态大分子链结构及强烈的分子振动会导致较大的声子散射，从而导致其固有导热性较低（<0.5 W·m?1·K?1）[10]。为了提高其导热性，通常会加入导热填料（如金属[13]、[14]、[15]、陶瓷[16]和碳基材料[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]）。其中，碳基材料如碳纳米管（CNTs）[17]、[22]、石墨烯[18]和碳纤维（CFs）[19]、[20]、[21]因其优异的导电性、高导热性、低密度和良好的机械性能而特别适合用于多功能复合材料。实验验证表明，优化这些碳基填料的取向和分散可以显著提升导热性和EMI屏蔽性能[19]、[20]、[21]，满足现代电子设备对强EMI防护、高导热性和轻量化设计的需求。

基于间距的碳纤维（CFs）具有超高的轴向导热性（高达1200 W·m?1·K?1）[25]、高导电性[26]、高强度[27]和轻质特性[28]，在热管理和EMI屏蔽方面具有巨大潜力。然而，其各向异性导热性要求采取特定的取向控制策略来优化热传输效率。已开发出多种控制CFs取向的技术，包括模板辅助方法（如冰模板法[21]）和外部场诱导方法（电场[29]、磁场[30]、[31]、[32]、[33]、流场[34]）。例如，Kojiro等人[29]采用静电絮凝技术使CFs垂直排列，并用氟弹性体基体填充，保持了纤维的取向，实现了23.3 W·m?1·K?1的高导热率（CF含量为13.2 wt.%）。Zhang等人[34]利用直接墨水书写（DIW）技术使CFs定向排列，实现了35.22 W·m?1·K?1的平面导热率（CF含量为60 wt.%）。Dong等人[35]利用冰晶定向生长过程中的挤压效应，通过单向冷冻干燥法实现了CFs的垂直排列，复合材料在CF含量为15.71 vol.%时表现出9.07 W·m?1的平面导热率和52.55 dB的优异EMI屏蔽性能。

CFs的高度石墨化结构和形状各向异性使其在磁场作用下能够发生取向[31]、[33]。Ding等人[30]采用水热法在CFs表面沉积Fe₃O₄颗粒，显著增强了其磁响应性。在填料含量为9 vol.%时，复合材料的平面导热率达到4.72 W·m?1·K?1。Han等人[31]通过预取向骨架策略成功制备了垂直、水平和倾斜取向的复合材料，其中垂直取向的CF复合材料实现了最高的平面导热率（45.01 W·m?1·K?1）。Wu等人[32]使用9特斯拉（T）超导磁体对CFs进行取向，实现了20 vol.% CF含量时的11.76 W·m?1平面导热率。Xu等人[33]使用乙酸乙酯将系统粘度降至2.28 mPa·s，在仅0.4 T的弱磁场条件下实现了超过93%的CFs垂直取向，最终实现了60 wt.% CF负载下的超高平面导热率。然而，目前的磁取向技术仍面临若干挑战：高填料含量会显著增加粘度，阻碍CFs的取向并促进纤维聚集；现有方法要么需要高达9 T的强磁场和复杂的昂贵设备，要么需要大量溶剂，可能导致样品收缩、固化不完全和环境污染。因此，磁取向技术需要进一步改进以满足工业应用的需求。

本研究选择具有优异弹性和热稳定性的柔性PDMS作为基体。通过多巴胺自聚合并随后在CFs上化学共沉淀CoFe₂O₄，成功制备了CF@PDA@CoFe₂O₄（CPCoFe）填料。PDA中间层为CoFe₂O₄的生长提供了丰富的成核位点，CPCoFe的磁响应性也比原始CFs更高。因此，利用电磁铁产生的均匀磁场，成功制备出了具有垂直取向结构的CPCoFe/PDMS复合材料。系统研究了磁场强度和CPCoFe填料含量对复合材料导热性、EMI屏蔽性能和机械性能的影响。通过有限元模拟和热传导建模阐明了热传输机制，并通过加热/冷却测试和无线充电演示评估了热管理和EMI屏蔽性能。优化后的CPCoFe/PDMS复合材料在0.9 T磁场强度和40 wt.%填料含量下实现了17.92 W·m?1的平面导热率、56.34 dB的EMI屏蔽效果以及满意的机械性能。磁场诱导的填料取向是一种高效、环保且可控的方法，可快速实现高度取向的填料结构。本研究为开发兼具高导热性和强EMI屏蔽能力的柔性多功能复合材料提供了改进策略，这些复合材料有望应用于5G/6G通信、新能源汽车、消费电子和人工智能等领域。

材料

基于间距的碳纤维（NTA0-250，直径10 μm，长度250 μm）购自中国辽宁的辽宁Novcarb碳材料有限公司。Tris（羟甲基）胺甲烷（Tris）购自中国上海的上海元聚生物科技有限公司。盐酸多巴胺（DA）、六水合氯化铁（FeCl₃·6H₂O）、六水合氯化钴（CoCl₂·6H₂O）和氢氧化钠（NaOH）购自中国上海的Macklin生化科技有限公司。

CPCoFe/PDMS复合材料的形态与结构

图1a展示了CPCoFe填料和CPCoFe/PDMS复合材料的制备过程示意图。图S1显示了CF和CPCoFe填料的粒径分布。CF的平均直径为11.6 μm，长度为267.0 μm；而CPCoFe填料的平均直径为12.2 μm，长度为230.1 μm。

CF、CP和CPCoFe填料的形态如图1b-e所示。CF具有光滑的表面和致密的截面，无可见缺陷。

结论

本研究通过依次进行多巴胺自聚合和CoFe₂O₄化学共沉淀，成功制备了PDA和CoFe₂O₄功能化的CFs。随后利用磁场取向技术制备了垂直取向的CPCoFe/PDMS复合材料。综合研究揭示了磁场强度和填料含量对各向异性导热性和EMI屏蔽性能的联合影响。

作者贡献声明

Xinghua Jiang：监督、资源提供。Geng Li：软件开发。Chengzhen Xie：可视化处理、数据验证。Jianhua Guo：撰写——审稿与编辑、数据验证、监督、资源获取、概念构思。Kunjun Zhuang：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据验证、软件应用、项目管理、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

J.G.感谢广东省重点领域研究与发展计划（2024B0101040003）、广东省自然科学基金（2025A1515010389）、国家自然科学基金（12274095）以及中山重点创新项目（2020AG022）的财政支持。