近日，机电与汽车工程学院教师杨程与西北工业大学齐乐华教授团队合作研发了一种易操作、低成本的短切碳纤维单向分布构型增强镁基复合材料制备新方法。此方法通过自主设计开发的模具与装置（专利号：CN115972465A），使短切碳纤维在预制体制备阶段就实现纤维的无损取向，经过后续的真空吸渗挤压工艺浸渗致密，使纤维在AZ91D镁合金基体中原位构筑成单向复合构型，纤维的单向排列和复合材料的高致密度，将AZ91D镁合金的热导率提高了122.2%，达到106.7 W/mK。该研究不仅为短纤维增强复合材料单向构型构筑提供了一种新型高效的方法，且由于此种材料轻质（＜1.9 g/cm3）、高导热、低热膨胀等特点，在航空航天、汽车、3C等领域具有广阔的应用前景，有望应用于航天器聚光光伏阵列组件、航天器蓄电池外壳、LED散热器、智能手机中框等构件，以达到减重、提高散热能力、降低热应力、延长服役寿命的目的。该研究成果以题为“Highly thermal conductive Csf/Mg composites by in-situ constructing the unidirectional configuration of short carbon fibers”发表在国际著名期刊《Chemical Engineering Journal》（中科院大区1区TOP，IF：16.744）上，杨程老师为第一作者，西北工业大学齐乐华教授和晁许江副教授为共同通讯作者。论文研究工作得到了国家自然科学基金重点项目（项目号：52231004）和国家自然基金面上项目（项目号：51972271）的资助。
文献链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144327
成果导读：
一、研究背景
镁合金作为最轻的金属结构材料，具有高比强度、高比刚度、良好的电磁屏蔽和散热等性能，在3C、汽车、航空航天等领域具有广阔的应用前景。近年来，随着现代电子器件向轻量化、高集成度、高功率密度快速发展，服役过程中产生的高温会严重影响设备的稳定性和可靠性，对镁合金的导热性能提出了更高的要求。然而，最常用的商用镁合金AZ91D热导率仅为50 W/mK左右，严重限制了其在热管理领域的应用。
短切碳纤维因其低密度、比强度/刚度高、电磁屏蔽性能好、高导热等优点，近年来在复合材料制备中受到广泛关注。目前，在大多数复合材料中，短切碳纤维常呈随机取向，碳纤维作为一维材料，其热导率具有较强的各向异性（轴向热导率是径向的60~100倍），受到碳纤维径向低导热的影响，复合材料的热导率远未达到预期。因此，只有通过构型设计，使纤维沿单向排列，才能充分利用碳纤维的高导热性能。然而，受高温高压环境限制，目前关于短切碳纤维增强金属基复合材料单向构型设计普遍采用高温应力诱导取向法，即在基体半固态下借助高压使其发生大塑性变形，纤维沿变形方向取向的方法，但同时纤维也受到较大的剪切应力而产生大量损伤，导致其性能也未能充分发挥。
二、成果简介
该研究受到短纤维“压力诱导堆叠现象”启发，提出了一种多向挤压诱导取向的碳纤维预制体制备方法，结合团队自主研发的真空吸渗挤压金属基复合材料制备工艺，制备出了高致密、高导热的镁基复合材料。
该研究借助扫描电子显微镜、显微CT和图像处理对复合材料的微观组织进行了研究，研究表明，所制备的复合材料不仅具有极高的致密度，且短切碳纤维在预期方向具有明显取向。证明了多向挤压诱导取向+真空吸渗挤压工艺在制备高致密的单向构型增强金属基复合材料方面独具优势。
该研究对材料热性能进行了测试，结果表明，沿纤维取向方向，复合材料的热导率获得大幅提高，且热膨胀系数明显降低。研究还结合红外热成像仪、热敏油墨和自主搭建的热管理能力测试平台对材料的热管理能力进行了研究。实验结果表明，对镁基复合材料和基体同时加热和冷却，镁基复合材料均拥有较快的升温速度和降温速度，表明了所制备复合材料具有优异的热管理能力。
在该研究工作中，从碳纤维构型设计、复合材料制备、性能测试及强化机理、应用等方面展开了较为系统的研究，提出了一种短纤维单向构型构筑的新策略，解决了传统短纤维单向构型增强金属基复合材料中大量纤维受到损伤的问题，显著提升了镁基复合材料的导热性能，同时也为其他非连续纤维增强复合材料提供了新方法和新思路。
撰稿：张继忠
审核：罗海玉
责编：周绪境
陈玉珍
编辑：黄亚珠
编审：罗文研
