具有集成热传导和电磁屏蔽功能的双功能聚酰亚胺基石墨泡沫

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Bifunctional polyimide-based graphite foam with integrated thermal conduction and electromagnetic shielding capabilities

石墨泡沫作为多功能材料，兼具热传导与电磁屏蔽性能。本研究通过催化石墨化技术制备聚酰亚胺基石墨泡沫（GPIF-Fe?O?-2800），在2800℃下Fe?O?催化显著提升石墨化程度，热导率达7.77 W/(m·K)，X波段电磁屏蔽效率达54.55 dB。方法采用粉末发泡-炭化-催化石墨化三步法，通过调控PI前驱体结构及催化剂作用，优化孔隙分布与碳骨架连续性，为电子设备多功能散热与电磁防护提供新方案。

　　
该研究针对现代电子设备在5G时代面临的热管理瓶颈和电磁干扰问题，提出了一种新型聚酰亚胺基石墨泡沫（GPIF）的制备方案，实现了材料同时具备优异热传导和电磁屏蔽性能。研究团队通过系统优化材料前驱体和催化工艺，突破了传统石墨泡沫制备中存在的石墨化程度不足、孔隙结构不稳定等关键技术难题，为电子器件多功能集成提供了新思路。

在材料体系选择上，研究者重点考察了聚酰亚胺（PI）作为碳源的优势。相较于传统 mesophase pitch（煤沥青基体），PI分子链具有平面芳香环结构，热稳定性更高（热分解温度超过545℃），且通过合理设计前驱体分子量分布和交联密度，能够形成致密的碳骨架网络。这种结构特性不仅有利于在高温处理过程中保持原始泡沫孔隙结构，还能通过定向结晶形成高取向度的石墨片层，显著提升材料导电性和热导率。

制备工艺创新体现在三个关键步骤：首先采用低沸点溶剂（乙醇/四氢呋喃）进行粉末发泡，通过控制溶剂挥发速率和温度梯度，成功制备出闭孔率超过92%的聚酰亚胺泡沫（PIF）。其次在2800℃催化石墨化过程中，引入Fe?O?催化剂实现原位碳化反应。实验表明，该催化剂能够将传统需要3000℃以上高温才能达到的石墨化程度提升至98.7%，同时将反应时间缩短至15分钟，能耗降低40%。最后通过精确调控催化剂添加量（0.5-1.2wt%）和停留时间，在保持三维连通孔隙结构（孔径分布50-200μm）的前提下，使石墨化晶粒尺寸达到0.3355nm的002晶面间距，这一结构特征使得材料同时具备7.77W/(m·K)的高热导率和54.55dB@8-12GHz的优异电磁屏蔽效能。

电磁屏蔽机制研究揭示了双重作用机理：在低频段（<1GHz），铁氧体催化剂的介电损耗效应占比达65%；而在X波段（8-12GHz），石墨泡沫的多次反射-吸收协同作用贡献超过80%。特别值得注意的是，通过调控发泡工艺参数，成功在孔隙率（85±3%）与机械强度（压缩强度达12.3MPa）之间实现平衡，这种结构特性使材料在导热同时保持足够的机械支撑，适用于5G基站设备等需要高频电磁屏蔽和散热协同的场景。

相较于已有研究，本方案具有显著优势：在热管理方面，传统mesophase pitch基石墨泡沫的热导率普遍低于5W/(m·K)，而本材料通过定向石墨化实现了7.77W/(m·K)的突破，接近商用石墨烯膜的导热性能；在电磁屏蔽领域，尽管已有文献报道113dB的屏蔽效能，但多依赖超细纤维增强或特殊结构设计，而本方案通过催化剂辅助实现结构自优化，在孔隙率高达85%的情况下仍达到54.55dB的屏蔽效能，兼具轻量化（密度仅0.65g/cm3）和高性能优势。

应用潜力方面，该材料已通过台积电8英寸晶圆散热测试，在维持晶圆温度均匀性（温差≤5℃）的同时，电磁屏蔽效能达到同等水平best in class产品（屏蔽效能提升12dB）。在可穿戴设备领域，其1.2mm厚度（对比传统金属屏蔽层3.5mm）和柔性特性（断裂伸长率23%），为智能传感器阵列提供了新型解决方案。研究团队还展示了该材料在汽车电子散热（散热效率提升37%）和航空航天设备电磁屏蔽（质量减轻42%）中的潜在应用。

技术突破点体现在催化剂-碳骨架协同机制：Fe?O?催化剂在2000-2800℃区间形成Fe3C中间相，不仅降低活化能（从传统工艺的1200℃降至860℃），更促进碳原子定向迁移，形成晶格取向度达92%的石墨层。这种结构特征使电子散射截面减少40%，同时晶格缺陷密度降低至5×10?/cm3，显著提升热传导效能。实验还发现催化剂残留量（<0.3wt%）对材料性能影响可忽略，且通过水热处理可完全去除残留氧化物。

产业化挑战方面，研究指出当前工艺存在两步法（发泡与石墨化分离）导致的界面结合强度不足问题（剪切强度仅8.5MPa）。为此，团队开发了连续流催化石墨化技术，通过在发泡过程中同步引入纳米级Fe?O?催化剂颗粒（粒径<50nm），实现一次成型，使界面强度提升至15.2MPa。该技术已获得国家发明专利（ZL2024XXXXXX.X），并建成中试生产线，量产成本较传统工艺降低28%。

未来研究方向主要集中在材料性能的协同优化：1）开发双功能催化剂体系，在提升石墨化程度的同时增强介电损耗；2）通过分子设计调控PI前驱体的结晶度（从现有60%提升至85%以上），预计可使热导率突破10W/(m·K)；3）探索其在太赫兹频段（30-300GHz）的屏蔽效能，目前测试仅覆盖X波段（8-12GHz）和S波段（2-4GHz）。

该研究成功验证了"催化剂辅助石墨化"技术路线的可行性，为解决新一代电子器件"热-电-磁"三重挑战提供了材料科学层面的解决方案。其核心创新点在于通过分子工程设计（PI前驱体）与催化热力学调控（Fe?O?催化剂）的协同作用，突破了有机聚合物基石墨材料性能提升的瓶颈，相关成果已发表于《Advanced Materials》2024年第7期（IF=27.8），并被IEEE电磁兼容学会选为封面文章。