N-Doped Graphene-Based Aerogel/Epoxy Composites with isotropic networks for Multifunctional Thermal Management Applications

Polymer composites containing graphene or carbon nanotubes have been widely studied for thermal management applications; however, conventional filler-dispersed systems often suffer from filler aggregation, discontinuous conductive pathways, and limited through-plane transport. To address these limitations, pre-constructed three-dimensional carbon networks can be used as effective scaffolds that provide continuous and less direction-dependent pathways for heat and electron transport at low filler loading. 

In this study, N-doped graphene-based aerogel/epoxy composites were developed by incorporating a pre-formed carbon aerogel framework into an epoxy matrix. The aerogel scaffold, composed of graphene oxide and carbon nanotubes, was designed to form an interconnected three-dimensional conductive network through their synergistic assembly. Phenylenediamine was introduced as both a crosslinking component and a nitrogen source to reinforce the carbon framework and provide functional sites related to interfacial polarization and electromagnetic attenuation. Epoxy infiltration improved the structural integrity and processability of the fragile aerogel while retaining its isotropic network architecture. This structure is expected to reduce pathway discontinuity and enhance through-plane thermal and electrical transport compared with conventional filler-dispersed epoxy composites. In addition, the continuous carbon network and nitrogen-containing structure may contribute to photothermal conversion and electromagnetic interference shielding. 

This work provides a structural strategy for designing multifunctional polymer composites based on N-doped graphene-based aerogel scaffolds.