随着第五代移动通信网络和先进电路技术的飞速发展，小型化器件在运行速度、传输效率和功率密度等方面的快速提高，迫切需要制备具有优异导热性能和高效电磁屏蔽性能的多功能复合材料。在聚合物基体中构建连续的三维填充骨架是一种理想的方法，可以为声子和电子提供传递“轨道”，从而有效地提高导热性和电磁屏蔽性能。尽管近年来该类复合材料已经取得了很大的进展，但目前的方法在可扩展性(如冷冻干燥和真空浸渍)、成本控制(超高温石墨化)和整体性能(机械性能和其他多功能)等多方面或某一方面存在局限性。因此，研究制备简单、低成本、综合性能优异的新型聚合物复合材料具有重要的应用价值。

本研究受人体神经纤维信号传递的启发，提出了一种新型“芯-鞘”纤维结构方法制备具有优异导热和电磁屏蔽性能的TPU/PDA/CNT复合材料。首先利用静电纺丝技术得到TPU纤维，然后采用PDA辅助浸涂CNT分散液，得到具有芯-壳结构的TPU@PDA@CNT纤维膜。其中，TPU作为基体和纤维状三维骨架，CNT作为填料在TPU表面形成三维导热通路。随后，通过热压工艺处理，分布在相邻纤维上的CNT紧密接触，获得了具有三维CNT通路的TPU/PDA/CNT复合材料。当CNT含量为7.6% wt%时，面内热导率达到9.6 W/(m·K)。此外，该复合材料具有优异的力学性能和电磁屏蔽性能，以及多源驱动热管理性能。因此，本研究提供了一种简单而可扩展的策略来制备具有先进热管理和电磁屏蔽性能的复合材料，以满足新一代无线通信技术和便携式智能电子设备的发展需求。

图1. TPU/PDA/CNT复合材料的制备流程示意图。

图2. (a) TPU纤维膜的SEM图像。(b-c) TPU@PDA@CNT纤维膜的SEM图像和放大的SEM图像。(d-f) TPU@PDA@CNT纤维膜的SEM截面图和放大的图像。(g-i) TPU/PDA/CNT复合膜的SEM截面图和放大的图像。

图3. (a) TPU、TPU@PDA和TPU@PDA@CNT纤维膜的XRD谱图和(b) XPS谱图。(c) TPU@PDA的N1s XPS谱图。(d) TPU、TPU@PDA和TPU@PDA@CNT纤维膜的C1s XPS谱图。(e) FTIR光谱。(f) PDA与CNT的界面相互作用示意图。(g)不同CNT含量的TPU/PDA/CNT薄膜的拉伸应力应变曲线和(h)拉伸强度和韧性。(i) TPU/PDA/CNT-7.6薄膜在不同应变下的拉伸应力-应变曲线。

图4. (a)不同CNT含量TPU/PDA/CNT膜热导率和(b)热导率增幅 (c) TPU/PDA/CNT膜的SEM横截面图像。(d)热流沿着CNT通路传导示意图。(e) TPU/PDA/CNT膜与文献中报道的聚合物复合材料的面内热导率的对比图。(f)热传导能力测试装置示意图。(g) TPU、TPU/PDA/CNT-3.0和TPU/PDA/CNT-7.6在加热过程中的红外热成像图像和(h)相应的表面温度变化。

图5.(a)LED灯散热测试系统示意图。(b) 测试过程中的红外热成像图片和(c)对应的温度变化曲线。(d) TPU/PDA/CNT薄膜在循环加热和冷却试验中的热冲击稳定性测量。

图6.(a) TPU/PDA/CNT膜的电导率和(b) EMISE曲线。(c)不同CNT含量TPU/PDA/CNT膜的SE_T、SE_A、SE_R值和(d)功率系数。(e)复合材料的电磁屏蔽机理。(f)不同厚度TPU/PDA/CNT膜的EMISE曲线和(g) SE_T、SE_A和SE_R值。(h)本研究与文献报道的复合材料的SSE/d对比图。

郑州大学博士生杨贵为该文章第一作者，郑州大学刘春太教授与苏凤梅副教授为该文章的共同通讯作者。

刘春太，郑州大学教授，博士生导师。河南省学术与技术带头人，河南省杰出青年基金获得者。目前担任郑州大学橡塑模具国家工程研究中心常务副主任，兼任中国塑料加工工业协会专家委员会委员、全国模具标准化技术委员会委员、全国塑料制品标准化技术委员会委员、《Advanced Composites and Hybrid Science》、《应用力学学报》、《模具工业》、《力学与实践》等杂志编委。主要研究方向：高分子及其复合材料成型过程数值模拟及模具优化设计；高分子及其复合材料成型加工中的物理问题；轻量化及功能纳米复合材料；国家战略领域用塑料制品的研制等。共发表SCI论文100余篇，曾获国家科技进步二等奖两项、以及“中国载人航天工程突出贡献”等多项奖励。

苏凤梅，郑州大学副教授，硕士生导师。主要研究方向：高分子加工，高分子结晶与相变；航空航天辐射防护复合材料，中子屏蔽材料；导热、电磁屏蔽功能复合材料等。研究成果在Macromolecules, Polymer,Nano Res.,Nano-Micro Lett., Compos. Part B: Eng., ACS Appl. Mater. Interfaces, Compos. Sci. Technol.等杂志发表论文30余篇。

Yang G, Zhou L, Wang M, et al. Polymer composites designed with 3D fibrous CNT “tracks” achieving excellent thermal conductivity and electromagnetic interference shielding efficiency. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5884-7.

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