碳纤维/聚合物复合材料热导率近十年研究进展

谢世红,高洁*,宁来元,郑可,马永,于盛旺,贺志勇

（1.太原理工大学 材料科学与工程学院，太原 030024；2.丰联科光电(洛阳)股份有限公司，洛阳 471031）

碳纤维增强聚合物(Carbon fiber-reinforced polymer，CFRP)复合材料是利用聚合物作为基体，碳纤维(CFs)或CFs织物作为增强体的复合材料，具有良好的力学性能、耐化学性和较低的热膨胀系数[1]，近年来受到广泛关注，被用于电子封装热交换的理想材料[2-3]，然而传统CFRP复合材料热导率低，致使集成电路在使用过程中产生的热量难以快速散发，导致电子元器件老化、损伤，难以满足小型化和高功率器件的电子封装，因此，在不损害复合材料结构完整性的基础上提高CFRP复合材料的热导率是目前亟待解决的问题。

考虑到CFRP复合材料制备工艺、成本与性能和传热机制受聚合物的热特性影响，向聚合物中添加高导热填料或实现CFs定向是提升CFRP复合材料热导率的有效方法[4-5]。基于上述策略，学者们开发了4种方法：(1) CFs与聚合物结合前或结合过程中将CFs同向排列[6]；(2) 在与聚合物基体结合前对CFs进行表面改性[7]，并将高导热填料附着在CFs表面；(3) 在与CFs结合之前将高导热填料加入聚合物基体[8]，包括金属[9]、陶瓷[10]和碳基材料[11]等；(4) 与聚合物结合前将多种填料(零维、一维和二维)进行桥接或对齐处理，构成大量连续的导热通道结构[12]，上述方法均能在不同程度上改善CFRP复合材料的导热性能。此外，许多研究表明，填料自身的热物理性质、几何特性(形状和尺寸)和分布状态(分散系统或附着系统)也是决定导热率增强效率的重要因素。

本综述将从CFRP的导热原理入手，分析聚合物复合材料的导热原理，探讨CFs的长度、含量和对齐方式及CFs表面改性、加入导热填料、构建连续导热通道等对CFRP复合材料的导热性能的影响，以期为学者进一步提升CFRP复合材料导热性能提供参考。

1 聚合物复合材料热传导原理

对于固体材料，热传导是其内部热量传输的主要方式，当同一物体内部存在温度差时，就会通过自由电子、声子(晶格振动的格波)或光子(电磁辐射)传输能量。大多数聚合物材料中的自由电子极少，不能成为导热载体，而光子传热需高温，也不能作为导热载体，因此声子传热是聚合物主要的热传导机制。

聚合物材料内部由非晶态组成，格波传播时，通过声子与声子之间及声子与晶界、点阵缺陷等之间的碰撞传递到相邻的分子链上实现热传导。理论上，常使用德拜方程计算聚合物的热导率[13]：

式中：c为单位体积比热容；v为声子速度；为声子的平均自由程。是一个极小的常数，导致聚合物的热导率非常低。对于确定聚合物材料而言，c和v是一个确定的值，但由于非晶材料内部分子排列是短程有序、长程无序结构，声子平均自由程被限制在几个晶胞间距内，因此，目前大幅提高聚合物材料热导率是一种挑战。Kim等[14]将具有高混溶性且可实现连接结构的两种聚合物进行混合，发现共混物可以产生致密和均匀分布的导热链，获得了更高的导热系数。此外，在聚合物中加入高导热填料也可以改善其热导率。例如，Wattanakul等[15]研究了氮化硼(BN)填充环氧树脂(EP)的热导率，发现加入28vol%BN颗粒时，BN/EP复合材料的热导率为1.97 W/(m·K)。Choi等[16]用铝(Al)和碳纳米管(CNT)复合粉末增强聚丙酸酯(PA)制备了较高热导率的Al/CNT/PA复合材料，添加80wt%的Al/CNT，Al/CNT/PA复合材料的热导率达到1.67 W/(m·K)，比PA提升了234%。

图1(a)～1(d)分别描述了纯聚合物、加入导热填料、构建三维网络通道和CFs同向排列等情况下CFRP复合材料内部的热流分布。由图可知，3种方案均可以不同程度地提高聚合物的热导率，其中构建三维连续导热通路和CFs同向排列结构的效果更显著。图1(e)列举了一些聚合物和常见导热填料在室温下的热导率，大部分聚合物的热导率都在0.1～0.5 W/(m·K)之间，远低于碳纤维、碳基材料、金属和陶瓷等的热导率，研究已经证实，采用高导热材料作为填料可以增强CFRP的热导率。此外，加入导热填料的含量和分布会影响导热路径的分布，进而影响复合材料的热导率[17-18]。当添加量较低时，复合材料的热导率一般随导热填料添加量线性增加，但是热导率存在阈值，添加量进一步增加时，热导率不再增加或会降低。这可能是由于添加量过高时，填料自身会发生团聚，导致声子传输严重散射。

图1 材料内部热流分布：(a) 纯聚合物；(b) 加入导热填料的碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料；(c) 碳纤维(CFs)与其他填料构成三维连续导热通路的CFRP复合材料；(d) CFs同向排列的CFRP复合材料；(e) 部分聚合物和导热填料的热导率[13,19]；(f) 不同类型填料CFRP复合材料热导率；(g) 构建三维导热网络CFRP复合材料热导率与未构建连续导热通路的CFRP复合材料热导率增长率对比；(h) CFs同向排列的CFRP复合材料热导率与CFs随机分散的CFRP复合材料热导率提升率对比Fig.1 Internal heat flux of pure polymers (a),carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) composites with added thermally conductive fillers (b),CFRP composites composed of 3D continuous heat conduction channels formed by carbon fiber (CFs) and other fillers (c) and CFRP composites with CFs arranged in the same direction (d); (e) Thermal conductivity of a part of the polymers and thermally conductive fillers[13,19]; (f) Thermal conductivity of CFRP composites with different types of fillers; (g) Comparison of the growth rate of thermal conductivity in CFRP composites with a 3D thermal conductivity network versus CFRP composites lacking a continuous thermal conductivity path; (h) Thermal conductivity of CFRP composites arranged in the same direction and improvement rate compared with randomly distributed CFs

图1(f)汇总了金属、陶瓷和碳材料等填料后CFRP复合材料的热导率。可以看出，整体而言，陶瓷和碳材料在高负载下提升复合材料热导率更显著。图1(g)为利用填料构建三维连续导热通路的CFRP复合材料的热导率，比未构建连续导热通路复合材料热导率均有不同程度的提升，原因归结为：构建的连续导热通路减小了填料之间的缝隙，增加填料之间的接触，减小界面热阻和声子散射。图1(h)为CFs定向排列后CFRP复合材料热导率，同样地，CFs定向处理比CFs随机分散的复合材料热导率均有不同程度的提高，原因归结为：同向排列的CFs构建了良好的导热通路，热流沿着CFs定向传递，大幅提升了复合材料的热导率。

2 CFs含量、长度和取向对热导率的影响

CFs是一种经碳化和石墨化得到的微晶石墨材料，具有高纵横比、低膨胀系数、高强度质量比、耐高温、耐磨、耐腐蚀、导电导热等优良性能，是聚合物基复合材料的最佳增强材料[20]，然而，CFs的含量、长度和其取向均会对CFRP复合材料的热导率产生影响。

2.1 CFs含量的影响

基于CFs的热导率远高于聚合物，通常情况下，CFs的添加量和CFRP复合材料的热导率正相关，大量的研究也证实了这一点，例如Keith等[21]用CFs填充聚丙烯腈(PAN)制备了CFs/PAN复合材料，实验结果表明：随着CFs含量增加，复合材料的面内和法向的热导率都在提升，当添加60wt%的CFs时，复合材料的面内热导率最高为2.46 W/(m·K)、法向的热导率为1.04 W/(m·K)。Wei等[22]通过简单的溶液共混法用CFs填充聚二甲基硅氧烷(PDMs)制备了CFs/PDMs复合材料，发现随着CFs含量的增多，复合材料的热导率大幅提高，当使用20wt%的CFs时，复合材料的热导率达到2.73 W/(m·K)，比纯PDMs的导热系数提高了约1 400%。Wang等[23]将CFs加入到聚异戊二烯(TPI)制备了CFs/TPI复合材料，发现随着CFs含量的增加，CFs/TPI复合材料的热导率大致线性增长，当CFs的含量从0wt%增加到14wt%时，在299 K的温度下，复合材料的热导率增加了28%。Cho等[24]向聚酮(PK)中添加CFs制备CFs/PK复合材料，发现当CFs的质量分数持续增大时，CFs/PK复合材料的法向的热导率呈线性增加，面内方向的热导率呈指数增加，尽管添加的CFs为非连续的随机取向，复合材料热导率具有各向异性的传热行为。

总体而言，添加CFs到不同的聚合物中，复合材料的热导率均会随CFs含量增加而增加，如图2(a)所示，其原因主要归结为具有高纵横比CFs含量增多，其堆积得更密集，相邻CFs之间热传递距离缩短，减少了声子散射，使复合材料的导热率逐渐提高，相比之下，对面内热导率的提升高于对法向热导的提升。

图2 (a) CFs含量对CFRP复合材料热导率的影响；(b)不同表面改性方法处理的CFRP复合材料热导率与没有表面改性的CFRP热导率增长百分比对比Fig.2 (a) Effect of CFs content on the thermal conductivity of CFRP composites; (b) Percentage increase in thermal conductivity of CFRP composites treated with different surface modification methods compared to CFRP without surface modification

2.2 CFs长度的影响

研究表明，当CFs含量相对较低时，较长的CFs有利于形成更完整的导热链，从而促进复合材料内部导热通道的形成，Agari等[25]用30vol%的CFs填充聚乙烯(PE)，制备了不同纵横比(L/D)(L/D=1～45.3)CFs的CFs/PE复合材料，发现随着CFs纵横比增大，复合材料的热导率逐渐升高。

当CFs含量相对较高时，较短的CFs容易分散并形成导向结构，促进复合材料热导率的提升。如Ghosh等[26]用5wt%的CFs填充酚醛树脂(PF)制备了CFs/PF复合材料，分别研究了CFs长度(1 mm、2 mm、3 mm、4 mm和5 mm)对CFs/PF复合材料热导率的影响，发现复合材料的热导率随着CFs的长度增加先升高后降低，当CFs的长度为2 mm时，复合材料的热导率最高为50 W/(m·K)，这主要是由于2 mm的CFs容易在复合材料中平行对齐，且易于分散，而更长的CFs则容易团聚，不利于声子的传输，从而降低了复合材料的热导率。简言之，CFRP复合材料的热导率不能完全依赖CFs的长度，过长的CFs将导致复合材料内部结构产生缺陷，使热导率下降。

2.3 CFs取向的影响

CFs的固有导热系数沿轴向可高达900 W/(m·K)，而在径向则低至100 W/(m·K)，即轴向热导率大约比径向热导率高一个数量级，因此，CFs在复合材料中的分布，尤其是CFs与复合材料法向夹角(0°～90°定义为取向)会影响复合材料的热导率。正如Fu等[27]研究了CFs平均纤维夹角对CFs/PK复合材料热导率的影响，发现CFRP热导率随着CFs夹角的增加而显著降低。Dong等[28]采用有限元法对CFs增强EP复合材料的导热性能进行了模拟，得到相同的结论，随CFs取向减小，法向热导率增大。

基于CFs的取向对复合材料的热导率的影响，通过各种方法对CFs进行定向处理，使其更有序、同轴化(图1(d))，来改善CFRP复合材料的热导率，成为近年来的研究热点。Li等[29]通过施加应力场来同向排列CFs制备了CFs/EP复合材料，当添加45wt%CFs、施加应力场使CFs同向排列时，复合材料的热导率为32.60 W/(m·K)，比CFs随机分布的复合材料热导率(4.67 W/(m·K))提高了598.07%。

除施加应力场外，还可以通过磁场、冷冻法或使用模板法实现CFs的定向。Ma等[30]用定向冷冻法同向排列CFs与EP混合制备3D-CFs/EP复合材料，添加13vol%的CFs，复合材料的导热系数为2.84 W/(m·K)，与EP热导率0.19 W/(m·K)相比提高1 394.74%，比同体积分数下随机分散的CFs复合材料热导率1.10 W/(m·K)提升了158.18%。

Ding等[31]向硅橡胶(SR)中添加用磁场定向的碳纤维(o-MCFs)，制备了o-MCFs/SR复合材料，当添加9vol%的o-MCFs时，复合材料热导率为4.72 W/(m·K)，比随机分散的CFs制备的复合材料的热导率1.17 W/(m·K)提升了303.42%。

Wu等[32]采用重力驱动冰模板法将CFs沿水平方向排列并制备了具有同轴向排列的CFs/EP复合材料，发现当添加22.3vol%的CFs，复合材料的热导率达到7.98 W/(m·K)，比随机分散的CFs制备复合材料热导率0.76 W/(m·K)提高了950%。

Hou等[33]采用定向冷冻技术定向处理CFs制备了CFs/PDMS复合材料，发现添加12.8vol%的CFs时，CFs/PDMS复合材料热导率为6.04 W/(m·K)，比随机分散CFs制备的复合材料热导率1.81 W/(m·K)提升了233.71%。

根据以上文献可知，同向排列的CFs具有较好的提升复合材料热导率的效果，这主要是由于CFs定向后，热量沿着CFs轴向传递，使复合材料的热导率大幅提升，对比上述数据可知，重力模板法定向CFs的效果更好，热导率提升率更大。

除定向外，部分研究人员还通过对CFs进行编织来构建导热通道，提升复合材料的热导率。

Dong等[34]研究了二维机织结构CFs增强EP的热导率，二维机织复合材料在3个正交方向上的热导率表现出明显的各向异性。沿CFs轴向的热导率高于CFs径向的热导率，面内方向的热导率高于厚度方向的热导率。

Dong等[35]通过有限元分析了三维编织CFs增强EP复合材料热导率，结果表明：三维编织可提升厚度方向的热导率，使其高于面内方向的热导率，热流主要沿CFs轴向传递，复合材料的热导率随着温度升高而升高。

Gou等[36]用有限元分析了三维编织CFs体积分数和内部编织角对EP复合材料热导率的影响。复合材料厚度方向和面内方向的热导率随CFs体积分数的增加而增加，内部编织法向夹角减小导致厚度方向热导率的增加，面内热导率降低。

Zhao等[37]研究了2.5D倾角互锁机织CFs、2.5D倾角(经向增强)互锁机织CFs和三维正交机织CFs增强EP复合材料热导率，3种复合材料热导率相比较而言，具有三维正交机织复合材料的热导率最高，热导率在经纱和纬纱方向上均表现出各向异性；2.5D倾角(经向增强)互锁机织复合材料的热导率随着CFs体积分数的增加而逐渐增加。

上述文献表明：编织CFs能够在复合材料内部构建连续导热通路，提升复合材料的热导率，三维编织可提升厚度方向的热导率。

3 CFs表面改性

CFs表面具有较大的化学惰性，导致CFs与聚合物基体之间相容性比较差，易产生间隙，降低复合材料的热导率。对CFs表面进行改性，提高其表面活性，使其更好地与聚合物结合，减少接触间隙，有利于提高CFRP复合材料的热导率[38]。

CFs表面改性策略可分为几组：(1) 使用“偶联剂”在CFs和基质之间形成化学键；(2) 通过侵蚀纤维使纤维粗糙或用聚合物、MgO等接枝纤维；(3) 在纤维表面引入官能团进行表面活化；(4) 采用与聚合物润湿性较好、热导率高的涂层材料对CFs表面形成均匀的涂层，与基体之间形成更密集的界面过渡区。基于上述策略，常用的CFs表面改性方法主要有化学接枝、化学气相沉积法、电泳沉积法、电镀沉积法、化学镀和上浆剂改性等。

Zhang等[39]将MgO纳米颗粒化学接枝到CFs上构建MgO-CFs填料与尼龙-6 (Nylon-6)制备了MgO-CFs/Nylon-6复合材料，添加20wt%的MgOCFs时，复合材料的热导率最大为0.78 W/(m·K)，比用单一CFs制备的CFs/Nylon-6复合材料的热导率提升了23.81%。

Zheng等[40]通过电泳沉积将六方氮化硼(hBN)片和Cu颗粒包覆在CFs表面构成hBNCu@CFs制备了hBN-Cu@CFs/EP复合材料，当沉积时间为3 h，用12vol%的hBN-Cu@CFs填料，复合材料最高热导率为2.16 W/(m·K)，比CFs/EP复合材料热导率(0.68 W/(m·K))提升了217.64%。

Wang等[41]在CFs表面电泳沉积0.85wt%碳化硅纳米线(SiCnws)构建SiCnws@CFs填料，再用化学气相沉积法在其表面接枝石墨烯(G)得到GSiCnws@CFs，并制备了G-SiCnws@CFs/EP复合材料，在4 h化学气相沉积下，复合材料的热导率为1.42 W/(m·K)，比SiCnws-CFs/EP复合材料热导率(1.04 W/(m·K))提高了35.64%。

Li等[42]用化学镀的方法制备了低含量镀银CFs(Ag@CFs)并制备Ag@CFs/EP复合材料，发现当CFs表面银镀层的厚度为450 nm，添加7wt%的Ag@CFs，复合材料的热导率达2.49 W/(m·K)，比未改性的CFs/EP复合材料提升了162.10%。

Yu等[43]在CFs表面电镀铜(Cu@CFs)并制备Cu@CFs/EP复合材料，采用12vol%的铜时，复合材料热导率为3.50 W/(m·K)，比CFs/EP复合材料热导率提升了400%。

Cheng等[44]采用Fe3O4修饰氧化石墨烯(GO)组成纳米流体GO@Fe3O4上浆剂 (GFNF)，用此上浆剂改性的CFs (GFNF@CFs)与EP制备GFNF@CFs/EP复合材料，当用2.5wt%的GFNF上浆剂改性CFs，制备的GFNF@CFs/EP复合材料的热导率达到最大值3.10 W/(m·K)，比原始CFs/EP复合材料热导率(1.35 W/(m·K))提高了129.63%。

上述文献的实验数据表明，CFs表面不同改性方法均可在一定程度上提升CFRP复合材料的热导率，图2(b)汇总了化学接枝和电镀法对CFs表面改性后的微观形貌组织、表面改性后制备的CFRP复合材料的热导率及与没有改性制备的CFRP复合材料热导率的提升率的对比，总体而言，电镀法改性CFs可以大幅提升CFRP复合材料热导率。

4 导热填料的影响

除对CFs进行表面改性来提升复合材料热导率外，向CFRP复合材料中加入高导热填料备受关注。根据形状可将高导热填料分为颗粒填料、线状填料和片状填料。图3为颗粒、线状和片状填料加入CFRP复合材料导热机制的示意图。对于颗粒填料而言，含量低时，颗粒与CFs彼此独立，不能形成连续的导热网络，含量高时，导热填料会增大与基体和CFs之间接触面积，作为相邻CFs之间热传导桥梁，缩短热传递路径，提高形成相互接触的导热通道概率，减少界面热阻，促进热量传输，提高复合材料的导热性能。与颗粒状填料相比，线状和片状填料较容易与CFs形成接触，构建成连续的热传导网络，为热流创造高效传导途径，更有效地增强CFRP复合材料热导率。此外，将多种形状尺寸的填料进行耦合(图3(d))可以进一步增加热传导路径，提升热导率。

图3 颗粒填料(a)、线状填料(b)、片状填料(c)和混合填料(d)增强CFRP复合材料热传导机制Fig.3 Illustrates the enhanced heat conduction mechanism of CFRP composites through the incorporation of particulate fillers (a),onedimensional fillers (b),two-dimensional fillers (c),and mixed fillers (d)

根据材料类型可将填料分为包括金属填料、陶瓷填料和碳基填料，部分上述填料的热导率如图1(e)所示。各种填料对CFRP复合材料热导率的增强作用介绍如下。

4.1 金属填料

各种金属如Cu、Al、Ag等因自由电子的存在，具有很高的热导率，然而金属填料的耐腐蚀性差，易被水、大气和各种有机或无机溶剂腐蚀，此外，金属填料加入容易造成复合材料密度增加、导电性增强等[13]，在一定程度上限制了其应用范围，因此用于提升复合材料的热导率的研究较少。

Lee等[45]研究了Al颗粒和Cu颗粒提升CFs/EP复合材料热导率的效果，发现添加0.1wt%的Al颗粒，Al/CFs/EP复合材料热导率为1.46 W/(m·K)，比CFs/EP复合材料热导率(0.91 W/(m·K))提升了60.44%；添加0.01wt%的Cu颗粒，Cu/CFs/EP复合材料热导率为1.65 W/(m·K)，比纯CFs/EP提高了81.32%。

Wu等[46]用银纳米颗粒(AgNPs)、一维银纳米线(AgNWs)和CFs制备了AgNWs/AgNPs@CFs/EP复合材料，结果表明：AgNPs@CFs/EP复合材料的热导率为0.48 W/(m·K)，AgNWs/AgNPs@CFs/EP复合材料热导率为0.76 W/(m·K)，比单一CFs/EP复合材料热导率0.34 W/(m·K)提升了123.53%，比AgNPs@CFs/EP复合材料热导率提升了58.33%。

4.2 陶瓷填料

高导热陶瓷填料目前应用较多的是AlN、BN、Al2O3和SiC等，它们具有很强的原子间键结和晶体结构，可以显著减少声子散射，表现出高热导率。

Lee等[47]采用氧化碳纤维(CF-OH)和AlN颗粒混合填充赤藓糖醇-聚乳酸(ETPLA)制备了AlN/CF-OH/ETPLA复合材料，当采用50wt%的AlN和CF-OH且二者质量比为2∶1时，复合材料的热导率为4.25 W/(m·K)，比CF-OH/ETPLA复合材料热导率(2.82 W/(m·K))提升了50.71%。

Xu等[48]用hBN提高CFs/PE复合材料的热导率，发现hBN∶CFs的质量比7∶1时，复合材料的热导率达到最大值3.11 W/(m·K)。

Kumar等[49]用SiC颗粒与CFs填充乙烯-丙烯-二烯(EPD)制备了SiC/CFs/EPD复合材料，当采用20wt%的SiC和10wt%的CFs制备的复合材料热导率最大为0.21 W/(m·K)，比CFs/EPD复合材料的热导率(0.18 W/(m·K))提升了34.4%。

Wang等[50]制备了Al2O3/CFs/EP复合材料，当添加74wt%Al2O3和6.4wt%CFs，复合材料的热导率为3.84 W/(m·K)，比CFs/EP复合材料热导率(1.48 W/(m·K))提升了159.46%。

4.3 碳基填料

石墨烯(G)、石墨(GP)等一些碳的同素异形体及其衍生物在导热方面具有独特的优势，室温下块状石墨的热导率为151 W/(m·K)，一维碳纳米管的热导率可达3 000～3 500 W/(m·K)，二维石墨烯的热导率甚至达5 300 W/(m·K)。基于碳材料优异的物理性能和一维、二维的独特结构，将其加入CFRP复合材料中，作为传热介质的声子在填料和聚合物基体之间的界面上分散，使界面效应最大化，可增大CFRP复合材料的导热系数。

Zhao等[51]将三维片状石墨烯泡沫(GF)与一维CFs制备了GF/CFs/PDMS复合材料，当添加10wt%的GF和CFs时，复合材料的热导率为0.55 W/(m·K)，比只用10wt%CFs制备的CFs/PDMS复合材料热导率(0.39 W/(m·K))提升了41.03%。

Senis等[52]采用平均粒径500 nm的氧化石墨烯(GO)和CFs共混制备了GO/CFs/EP复合材料，采用6.3vol%的GO，复合材料的热导率为0.83 W/(m·K)，比同体积分数CFs制备的CFs/EP复合材料热导率(0.77 W/(m·K))提升了7.80%。

朱帅甫等[53]以CFs和CNT混杂填充聚酰胺-6(PA-6)，当添加15wt%CFs和5wt%CNT时，复合材料热导率最大为1.40 W/(m·K)，比只添加20wt%CFs的CFs/PA-6复合材料热导率(0.7 W/(m·K))提高了100%。

Mazov等[54]采用多壁碳纳米管(MWCNT)和CFs填充聚丙烯(PP)制备了MWCNT/CFs/PP复合材料，当采用4wt%MWCNT和36wt%CFs，复合材料的热导率最大为1.9 W/(m·K)，比CFs/PP复合材料热导率1.23 W/(m·K)提升了54.47%。

综上可知，不同类型填料提升CFRP复合材料的热导率提升效果差异较大。金属填料虽然自身热导率高，但会增加复合材料导电性，使其应用受限。相比之下，陶瓷填料比金属填料热导率低，其不导电，不会对复合材料导电性产生影响，可以通过高添加量提升与CFs的接触概率，形成连续导热通道，大幅提升CFRP复合材料的热导率。碳基填料自身热导率高，同时可借助不同形状尺寸的碳基填料与CFs之间相互耦合(线状与颗粒、线状与线状、线状与片状)，增加导热通道，改善CFRP复合材料的热导率。

5 构建连续导热通道

除表面改性和加入导热填料外，构建连续的三维导热网络结构也是获得高导热CFRP复合材料的有效方法。为了提高CFRP复合材料的导热系数，很多学者选择高纵横比填料，如一维纤维和晶须及二维层状填料，它们容易形成连续和对齐的导热通路，使一维CFs与二维层状填料构成连续三维网络结构，该网络结构提供了丰富的热通路，能降低界面热阻和减小声子的散射，从而提升CFRP复合材料的导热性能。

Wu等[55]用二维GP作为粘结剂将CFs和碳毡(CC)粘结构建具有连续、多维导热通路的GP/CC/CFs填料，与EP制备了GP/CC/CFs/EP复合材料，当采用17.48vol%CFs和6.34vol%GP粘结剂，复合材料的热导率为6.2 W/(m·K)，比CC/CFs/EP复合材料热导率提高了195.24%。

Wang等[56]也通过在相邻CFs之间形成连接点，采用电镀沉积法将有石墨涂层的Ni包覆在C/CFs上，减小了原始C/CFs结构间隙与接触不牢固，形成具有连续、多通道导热的Ni@C/CFs导热骨架，研究了镀覆时间对Ni@C/CFs/EP复合材料热导率的影响，导热系数从1.6 W/(m·K)(0 min)增加到2.13 W/(m·K)(60 min)，分别是EP的8.89倍11.8倍，镀覆时间60 min热导率比原始CFs/EP复合材料热导率提升了33.13%。

Zhu等[57]选择BN连接相邻CFs缝隙，构建具有连续、多导热通道的BN/CFs导热骨架，与EP制备了具有连续导热通路结构的BN/CFs/EP复合材料，采用长为10 mm、5vol%的CFs和40vol%的BN制备的BN/CFs/EP复合材料导热系数高达3.1 W/(m·K)，比没有用BN粘结剂的CFs/EP复合材料热导率(0.6 W/(m·K))提升了416.67%。

此外，填料的优良取向是复合材料获得高热导率的另一个重要方法，采用低负载填料构建具有相同取向的三维网络结构也可以制备高热导率的复合材料。如Xu等[58]采用氢键辅助冰模板组装法得到三维垂直排列连续、多通道导热的GOCFs骨架并制备了GO-CFs/PA-6复合材料，当GO与CFs的质量比为1∶9时，复合材料的热导率高达1.45 W/(m·K)，比GO和CFs随机分布的复合材料热导率(0.46 W/(m·K))提高了215.22%。

Hao等[59]在CFs表面通过电泳沉积了一层互连镍纳米粒子/碳纳米管(Ni-CNT)杂化网络(Ni-CNT@CFs)，将有同向排列的聚对亚苯基苯并双噁唑-氧化石墨烯(PBO-GO)垂直接枝到Ni-CNT@CFs表面，与EP复合制备了PBO-GO/Ni-CNT@CFs/EP复合材料，当采用55vol%CFs时，复合材料的热导率为5.39 W/(m·K)，比用单一填料Ni-CNT@CFs制备的Ni-CNT@CFs/EP复合材料热导率(1.32 W/(m·K))提升了308.33%。

上述文献表明，不同方法构建的三维连续导热通道复合材料均比未构建连续导热通路复合材料的热导率高，主要归因于三维连续导热网络通道的构建可以增加填料重叠面积，增加了声子耦合和界面之间的传热，减小填料之间的界面热阻。

6 结论与展望

本文综述了过去十年在提升碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料热导率方面取得的研究进展，主要结论如下：

(1) 碳纤维(CFs)自身的含量、长度和取向对CFRP复合材料热导率有不同程度的影响。CFRP复合材料热导率随CFs含量增加而增大；当CFs含量相对较低时，较长的CFs有利于形成更完整的导热链，当CFs含量相对较高时，较短的CFs容易分散并形成导向结构，促进复合材料热导率的提升；借助应力场、磁场、冷冻法或使用模板法对CFs定向处理，形成同向排列的CFs有利于提高CFRP复合材料的热导率；

(2) 对填料和CFs进行表面改性，使CFs和填料与基体产生键合并减小接触间隙，减小了填料/基体界面处的界面热阻，可在一定程度上提高CFRP复合材料热导率；

(3) 不同类型高导热填料的引入都会提升CFRP复合材料的热导率，其中陶瓷和碳基填料具有比金属填料更高的热导率提升效果；在大多数情况下，CFRP复合材料中高导热填料的添加量大于30wt%才能获得比较高的热导率；

(4) 加入高纵横比填料，如一维纤维和晶须及二维层状填料，使一维CFs与二维层状填料构成三维连续导热网络结构，能够降低界面热阻和减小声子的散射，可有效提升CFRP复合材料的热导率。

目前，如何利用低负载量的填料提升CFRP复合材料的热导率成为一种挑战，未来需在该领域进行攻关。CFs同向排列和构建连续的导热通道能大幅度提升CFRP复合材料热导率，因此，使CFs同向排列并与多种形状尺寸的高热导率填料耦合构建连续的导热通道，制备出低负载填料、高热导率的CFRP复合材料将成为未来的研究方向，拓宽其应用范围。