2025 年 8 月 ，西南交通大学杨泽锋副教授团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为 “Enhancing the thermal conductivity of carbon fiber composites by unzipping MWCNTs into GNRs through flash Joule heating” 的论文。该研究通过闪蒸焦耳加热技术将多壁碳纳米管（MWCNTs）解理为石墨烯纳米带（GNRs），并嵌入碳纤维复合材料中，显著提升了复合材料的热导率，同时保持其力学性能，为开发高效热管理材料提供了新方法。
研究背景
1. 高热负荷对电子封装材料提出新要求：随着电子设备向高功率、高集成度发展，芯片热积累问题日益严重，亟需开发兼具优异机械性能和高导热性的新型复合材料，以解决散热瓶颈，保障设备可靠性与寿命。
2. CFRP复合材料的不足：CFRP本征导热性差。虽常用MWCNTs作填料，但其管状结构会阻碍声子传输，效果受限。
3. 现有GNR制备方法的缺陷与FJH技术的优势：将MWCNTs“解理”为石墨烯纳米带（GNRs）可显著提升导热性能，但传统方法效率低、成本高且不环保。因此，亟需开发如闪速焦耳加热（FJH）这类快速、经济、绿色的新技术，以实现GNRs的高效制备。
研究方法
1. 材料制备：采用多壁碳纳米管（MWCNTs）为基材，通过闪蒸焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）技术实现快速解理。控制放电电压（150–200 V）和脉冲时间（50 ms），在石英管中通过铜电极施加瞬时高压电流，使MWCNTs温度升至3000 K以上，完成解理生成石墨烯纳米带（GNRs）。将解理后的产物（F-MWCNTs）与碳纤维、环氧树脂混合，制备碳纤维复合材料（CFRP）。
图1：使用FJH解开MWCNT制备GNR的流程图
2. 材料表征：通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察多壁碳纳米管（MWCNTs）解链前后的微观形貌演变；利用拉曼光谱（Raman）分析碳材料的缺陷程度（ID/IG比值）和结晶性变化（I2D/IG比值）；采用X射线光电子能谱（XPS）检测表面元素组成及化学键状态；通过热重分析（TGA）评估材料的热稳定性和氧化抵抗性。
3. 性能测试：采用三点弯曲试验测量材料的弯曲强度，评估其力学性能；利用激光闪射法测定面内热导率，量化热传导能力；通过红外热成像技术记录封装芯片在不同材料下的升温曲线，对比实际热管理效率；结合拉曼光谱分析复合材料界面应力分布，辅助验证机械性能提升机制。
研究结果
1. 成功制备 GNRs 且材料热稳定性增强：利用闪蒸焦耳加热法成功将 MWCNTs 解理成 GNRs，形成 GNRs 和 MWCNTs 的混合物。GNRs 典型宽度为 77.31±14.87nm。经处理后的 F-MWCNTs 热稳定性和抗氧化性提升，800℃时其残留质量为原始 MWCNTs 的 3.7 倍。
2. 碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）力学性能提升：与原始 CFRP 相比，经 170V 闪蒸焦耳加热处理的 MWCNTs 增强 CFRP 的弯曲强度提高 105.7%，达到 103.5 MPa；扫描电子显微镜分析显示，F-MWCNTs 与基体界面结合更强，能有效分散应力，减少裂纹，改善复合材料的力学性能。
3. 复合材料热导率大幅提高：优化后的 CFRP 热导率达到 0.56 W/(m・K)，较纯环氧树脂提高 195%。这得益于 MWCNTs 与 GNRs 的协同作用，GNRs 减少了声子散射，二者形成的导热网络优化了热传导路径，提升了热传递效率；红外热成像显示，该复合材料散热能力优异，在芯片封装应用中降温效果明显。
展望
1. 技术应用前景：闪蒸焦耳加热法因高效、环保且成本低的优势，有望成为大规模制备石墨烯纳米带（GNRs）的主流技术，推动碳纳米材料在更多领域的实际应用。
2. 材料应用拓展：优化后的碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）在机械性能和热导率上的显著提升，使其在航空航天、汽车及电子等对材料性能要求严苛的领域具有巨大应用潜力，尤其是高功率器件的散热封装。
3. 研究方向深化：未来可进一步优化闪焦耳加热工艺参数，探索该复合材料在更多功能性场景的应用，推动其综合性能持续提升，为相关材料设计提供更丰富的思路。
DOI: 10.1016/j.cej.2025.166764
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