一.背景介紹

  在現代電子、航空航天等領域，高效熱管理至關重要。環氧樹脂因其耐化學性、熱穩定性和易加工性被廣泛應用，但其電導率和熱導率較低限制了其應用。金屬填料如銅因其高熱導率成為改善環氧樹脂性能的有效手段，但銅納米線易氧化。目前，減少銅納米線氧化的主要策略是創建核殼或涂層結構，包括用聚吡咯包裹銅納米線，形成銅@鎳納米線或核殼結構，以及開發銅納米線@還原氧化石墨烯（Cu NWs/rGO）核殼結構。然而，這些方法通常涉及復雜的多步驟過程，需要分別制備銅納米線和rGO，因此，研究人員致力于通過一鍋合成方法，在保持機械性能的同事，來簡化這些步驟。

  二.成果掠影

  近日，天津理工大學謝飛、李文江團隊采用一鍋水熱法在還原氧化石墨烯(rGO)和碳納米管（CNTs）上原位生長高長徑比的銅納米線（Cu NWs）和均勻分散的銅納米顆粒（Cu NPs），以獲得Cu-rGO-CNTs混合材料（CuGNT）。通過酸處理對CNTs進行羧基化，增強了它們的親水性。在合成過程中，rGO由GO轉化而來，有助于形成良好分散的Cu NPs和高長徑比的Cu NWs。CuGNT混合材料被用作填料均勻分散在環氧樹脂（EP）基體中，形成環氧復合材料（CuGNT-EP）。填料形成了三維互連網絡，即使在低填料含量下（相對于EP含量的2 wt%），也顯著提高了純環氧樹脂的熱導率（熱導率提升因子為87.37%），并保持了高拉伸強度（33.76 Mpa）。此外，填料具有優異的熱穩定性和抗氧化性，并且不會形成完整的導電通路，從而滿足抗靜電功能的要求（> 10^9 Ω·m）。研究成果以“Nano copper-modified GO and CNTs for enhanced the epoxy resin composite thermal properties”為題發表在《Applied Surface Science》期刊。

  三、圖文導讀

圖1.CuGNT-EP涂層制備的示意圖

圖2. (a) GO、C-CNTs和CuGNT的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)；(b) GNT和rGNT的拉曼光譜；(c) GO、C-CNTs和CuGNT的XPS全譜；(d) GO的C1s XPS譜；(e) CuGNT的C1s XPS譜；(f) C-CNTs的C1s XPS譜。

圖3.銅納米線(Cu NWs)合成機制的示意圖。

圖4.(a,d) 銅納米線(Cu NWs)的SEM圖像；(b,e) GNT納米復合材料的SEM圖像；(c,f) CuGNT納米復合材料的SEM圖像。

圖5. (a,b) CuGNT混合物的HRTEM圖像；(c) CuGNT混合物的HADDF圖像；(d,e) CuGNT混合物的碳元素分布圖(紅色)；(d,f) CuGNT混合物的銅元素分布圖(綠色)。(關于本圖例中顏色引用的解釋，請讀者參閱本文的網絡版本。

圖6.(a) 新制備的銅納米線(Cu NWs，右)和CuGNT(左)在空氣中儲存0、5、10和20天后的異丙醇分散液；(b) 銅納米線和CuGNT在空氣中放置1、3、7、15和40天的XRD圖譜；(c) 具有涂層納米結構的CuGNT的DTC-TG曲線；(d) 銅納米線的XPS全譜；(e) CuGNT的XPS全譜；(f) 銅納米線的C1s XPS譜；(g) CuGNT混合物的C1s XPS譜。

圖7.(a) 不同GO/CNT比例的CuGNT-EP復合材料的熱導率；(b) 不同填料含量的CuGNT-EP復合材料的熱導率；(c) 純環氧樹脂(EP)、銅-環氧樹脂(Cu-EP)、CurGO-環氧樹脂(CurGO-EP)、CuCNT-環氧樹脂(CuCNT-EP)和CuGNT-環氧樹脂(CuGNT-EP)樣品的熱導率；(d) CuGNT-EP復合材料中熱量傳遞的示意圖。

圖8. (a) 4毫米厚的純環氧樹脂(EP)、銅-環氧樹脂(Cu-EP)、CurGO-環氧樹脂(CurGO-EP)、CuCNT-環氧樹脂(CuCNT-EP)、CuGNT-環氧樹脂(CuGNT-EP)的紅外熱成像圖；(b) 對應熱點溫度隨時間的變化；(c) 不同厚度的涂層涂覆在鋁板上的紅外熱成像圖；(d) 對應熱點溫度隨時間的變化。