为了使未来的电子设备在复杂环境中更好地运行，对功能复合材料的机械性能，特别是承载能力提出了更高的要求。因此，提升功能复合材料的机械性能具有重要的实际应用价值。在本研究中，使用3D打印和真空浸渍的组合方法，研究了一种具有集成导热性、电磁干扰（EMl）屏蔽和机械性能的短碳纤维-石墨烯纳米片-聚二甲基硅氧烷（SGP）/环氧丙烯酸树脂（EA树脂）复合材料。在SGP/EA树脂复合材料中，不同细胞形状的EA树脂骨架负责复合样品的承载能力，而导热性和电磁屏蔽性能由SGP化合物提供。当骨架的细胞形状为圆形，SGP化合物中的填充含量为15wt%SCF和6wt%NNP时，SGP/EA树脂复合材料在12.4GHz下表现出323.5kPa压缩模量、2.13 W/（m.K）导热性和45.93 dB EMI屏蔽性能的最佳组合性能。这项工作提供了一种简单、低成本和可扩展的方法来制备具有综合导热性、电磁屏蔽和机械性能的复合材料样品。这些多功能复合材料在散热、电磁干扰屏蔽和承重设备等领域具有很高的应用前景。

一、引言

随着科技的不断发展，对材料性能的要求越来越高。传统材料往往只能满足单一的性能需求，难以满足现代科技对材料的多功能性要求。因此，开发具有集成热导率、电磁屏蔽和机械性能的复合材料具有重要意义。目前，制备具有集成热导率、电磁屏蔽和机械性能的复合材料的方法主要有两种：复合填充法和多层结构法。前者操作简单，但难以实现填料的均匀分散，导致复合材料性能不均匀。而后者可以实现不同性能的集成，但制备过程复杂，成本较高。

知名期刊《Composites Science and Technology》发表了一篇由北京化工大学机电工程学院和中国有机无机化合物国家重点实验室完成的有关SLA 3D 打印制备集成热导率、电磁屏蔽和机械性能的 SGP/EA 树脂复合材料的研究成果。该研究使用 SLA 3D 打印和均匀分散技术制备了具有集成热导率、电磁屏蔽和机械性能的 SGP/EA 树脂复合材料。该研究成果为开发高性能复合材料提供了新的思路和方法，具有重要的理论意义和应用价值。论文标题为“Skeleton designable SGP/EA resin composites with integrated thermaconductivity, electromagnetic interference shielding, andmechanical performances”。

二、研究内容及方法

1.实验

文章列出了用于制备具有集成热导性、电磁干扰屏蔽和机械性能的SGP/EA树脂复合材料的所用材料和设备。材料方面，主要涉及两种树脂：光固化树脂和 SGP/EA 树脂。光固化树脂用于 SLA 3D 打印，而 SGP/EA 树脂则是实验制备的复合材料，由 SGP 填料和 EA 树脂组成。设备方面，主要包括 SLA 3D 打印机、搅拌混合装置、真空负压装置等，用于材料的制备和打印。

图1 SLA-3D打印和均匀分散相结合制备具有集成导热电磁屏蔽和机械性能的SGP/EA树脂复合材料的示意图。

关于通过结合立体光固化(SLA) 3D打印技术和真空浸渍工艺来制备具有集成热导性、电磁干扰(EMI)屏蔽和机械性能的SGP/EA树脂复合材料的方法。通过SLA 3D打印技术制备了具有机械承载能力的EA树脂骨架，然后采用均质分散法制备了含有短切碳纤维(SCF)和氧化石墨烯纳米片(GNP)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合填料(简称SGP)，并通过真空浸渍将SGP复合填料填充到EA树脂骨架中，将复合样品放入加热箱中固化，从而得到最终的SGP/EA树脂复合材料。这个过程确保了功能性填料在复合材料中的均匀分散，并通过设计的骨架结构优化了材料的综合性能。

图2 （a） LA-3D打印机的示意图。（b） 为承重骨架设计了四种基于不同细胞形状（方形（S）、矩形（k）、格子（L）和圆形（C））的机械骨架结构单元，（C）（b）和（d）中四种不同细胞形状的拓扑图是通过SLA-3D打印得到的四种骨架样品。

文章描述了对SGP/EA树脂复合材料进行的一系列表征测试，以评估其机械承载性能、微观结构、热导率和电磁干扰(EMI)屏蔽效能。这包括使用万能材料试验机进行单轴拉伸测试来确定复合材料的力学性能，使用扫描电子显微镜 (SEM) 观察复合材料的微观结构，分析填料的分散情况。使用激光热导仪测试复合材料的热导率，评估其散热性能。以及使用矢量网络分析仪测试复合材料的电磁屏蔽效能，评估其电磁屏蔽性能。通过这些表征方法，可以全面评估 SGP/EA 树脂复合材料的综合性能，为其应用提供理论依据。

2.结果和讨论

研究通过扫描电子显微镜(SEM)观察了C-SGP/EA树脂复合材料的截面形貌。结果显示，不同GNP含量的SGP功能复合填料与机械承载骨架的界面结合良好，没有明显的界面分离。随着GNP含量的增加，观察到SCF和GNP在PDMS基体中形成了更多的层叠关系，这有助于形成微纳尺度的协同效应，从而提高热导网络的形成。此外，尽管在样品的两相界面处观察到孔洞，但这并非由于SGP复合填料的不完全填充造成，而是因为SGP在样品的脆性断裂过程中被拉伸所致。SEM图像中用红色箭头标出了GNP的位置，并且箭头的数量表示了SGP复合填料中GNP的含量。这些结果表明，通过均匀分散法制备的SGP复合填料在EA树脂骨架中分布均匀，有助于提高复合材料的整体性能。

图3 具有集成热导率、电磁干扰屏蔽和机械性能的 C-SGP/EA树脂复合材料截面形态。(a)、(b)、(c)和(d)是四种 C-SGP/EA树脂复合材料，GNP 含量分别为 0、2、4和6 %。

研究使用COMSOL多物理场仿真软件对通过SLA-3D打印技术设计的具有不同细胞形状（矩形、格子、正方形和圆形）的机械承载骨架结构进行了模拟，以预测其在受到压缩时的力学行为。仿真结果显示，不同细胞形状的骨架结构在受到外部力作用时表现出不同的力学承载性能，其中圆形细胞形状的骨架结构展现出了最佳的变形抗力和较低的整体变形量。对这些不同细胞形状的机械骨架进行了压缩测试，实验结果证实了圆形细胞形状的骨架结构在相同孔隙率条件下具有最高的压缩模量，并且当引入机械骨架后，SGP/EA树脂复合材料的压缩模量显著提高，尤其是C-SGP/EA树脂复合材料样品。这些结果表明，通过设计和引入机械骨架可以显著提高复合材料的力学性能。

图 4  展示了在 100 N 压缩力下，四种不同机械承重骨架的体积变形 (1) 和体积应变 (2) 云图。(a-d 分别代表 R、L、S 和 C 骨架结构)。

通过热盘方法测试发现，随着GNP含量的增加，复合材料的热导率显著提高。此外，通过热像仪记录的加热过程中的表面温度变化表明，高GNP含量的样品具有更快的加热速率。在EMI屏蔽性能方面，使用矢量网络分析仪测量了复合材料在8.2-12.4 GHz频率范围内的屏蔽效能，结果显示，GNP含量的增加显著提高了复合材料的EMI屏蔽效能，特别是当GNP含量达到6 wt%时，样品展现了出色的屏蔽效能，达到45.93 dB。这些结果证实了GNP在提高复合材料热导率和EMI屏蔽性能方面的重要作用，并表明所制备的SGP/EA树脂复合材料在电子设备的热管理和电磁兼容性方面具有潜在的应用前景。

图5 (a)不同GNP含量的SGP/EA树脂复合材料样品的导热系数。(b)从0到180秒在110°C下SGP/EA树脂化合物样品的相应表面温度变化，(c)不同GNP含量SGP/EA树脂化合物的红外热图像。

三、 小结

该研究成功制备了具有集成热导率、电磁屏蔽和机械性能的 SGP/EA 树脂复合材料，并通过实验验证了其优异的性能。该研究成果为开发高性能复合材料提供了新的思路和方法，具有重要的理论意义和应用价值。

原始文献：

Du Q., Li C., Liu C., Cheng L., Chen G., Chen N., & Sun J. (2022). Skeleton designable SGP/EA resin composites with integrated thermal conductivity, electromagnetic interference shielding, and mechanical performances. Composites Science and Technology, 229, 109686.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109686