功能化石墨烯薄膜的制备与导热性能研究

发布时间：2020-04-09 01:11

【摘要】：随着科技和电子信息技术向高度集成化的发展,功耗与散热也日益成为不容回避的问题。石墨烯具有非常好的热传导性能,无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/(m·K),是目前为止导热系数最高的碳材料。本论文采用方法简单、成本低廉的氧化还原旋涂方法制备功能化石墨烯薄膜,探究石墨烯薄膜的晶粒尺寸、功能化方式等因素对薄膜的散热性能的影响,最终获得具有较高的热导系数的功能化石墨烯散热薄膜,并将其应用于微电子设备。采用不同尺寸的天然鳞片石墨粉作为原料氧化还原后制备了稳定的石墨烯浆料,并用真空抽滤法制备石墨烯薄膜。针对石墨烯薄膜散热性能优化了制备石墨烯薄膜的工艺参数。真空过滤组装的石墨烯薄膜允许形成的高度对齐的纳米结构,这种结构有利于石墨烯基膜的相对高的平面内热导率。天然鳞片石墨原料晶粒尺寸越大,制备的石墨烯薄膜热扩散系数及热导率越高。原因是晶粒尺寸越大,片层之间的接触以及缺陷就会散射声子,增加散热性能。对氧化石墨烯进行功能化处理,采用功能试剂能与氧化石墨烯水解反应,从而引入硅烷醇基团。采用旋涂法制备功能化石墨烯薄膜并对其组织结构热物理性能进行表征,研究了制备工艺以及催化剂对功能化氧化石墨烯的影响,发现了适量的催化剂的添加对功能化有一定的促进作用。探究了功能化薄膜的制备工艺旋涂速度、旋涂量、热处理等对功能化石墨烯薄膜的影响,石墨功能化石墨烯薄膜的最佳制备制备工艺为旋涂速度2000rpm,功能试剂旋涂量20μL,热处理温度为50℃。对功能化石墨烯薄膜和石墨烯薄膜进行了微观结构和导热性能的对比表征分析,功能化石墨烯薄膜具有比石墨烯薄膜更加曲翘的层状结构,FT-IR、RAMAN、XPS分析证实了功能化基团的引入。散热性能表征结果表明,相对于石墨烯薄膜,功能化石墨烯的具有更好的导热性能,纵向热扩散系数和热导率分别为1275.07 W/(m·K)和2.48 W/(m·K)。通过硅烷官能化的石墨烯薄膜热导率增加,主要是由于石墨烯基的强化学键合增强了界面热传递并限制了横截面声子散射。最后对功能化石墨烯薄膜在硅片模拟器件上的散热效果进行了测试,表明功能化石墨烯薄膜在电子器件散热领域具有应用前景。
【图文】：

色散曲线,晶格结构,石墨,声子

图 1-1 石墨烯的晶格结构[6]学性质主要是由于晶格振动所引起的，Lindsay等[7]通过声学声子的色散曲线，发现在石墨烯中一共存在六种极、ZO模声子、TA模声子、TO模声子、LA模声子和LO模和弛豫时间随波矢、频率和温度的变化关系表明，声学%[8]。石墨烯中参与热传导的主要是 3 类声学声子，即低频声子、ZA模声子，其中前两类是面内传输模式，有着线性传输模，存在非线性的二次散射关系。依靠特殊的声子模式进行热传输，声子是晶格振动简正的方式传递热量[9]。声子模式对传热的贡献有不同的理论声子和TA模声子声速较大，，在热传导中起主要作用，而Z传热的贡献较小。Lindsay认为，ZA模声子对传热的贡献10]。播方式和散射机理对石墨烯的导热性有着重要的影响。频率、声子自由程和声子相互作用过程等因素决定。研

示意图,静电自组装,原理,示意图

图 1-2 静电自组装原理示意图[16]]开发了一种简单的方法来制备全石墨烯水凝胶，通大气压力下无需搅拌即可制备石墨烯原位自组装，分散在氧化石墨烯(GO)水悬浮液中，则可以制备 3料，并且自组装。纳米颗粒的捕获与具有捕鱼网的捕，并且捕鱼网由石墨烯/氧化石墨烯纳米片组成，其米粒子可以在网络形成期间以简单的一步过程被捕匀分散在水悬浮液中的任何纳米粒子都可嵌入石墨粒子凝胶。这是一种简单的方法来制备在网络内包导电磁石墨烯/Fe3O4气凝胶已成功制备的一步还原和4纳米粒子。所获得的凝胶具有超顺磁性，多孔且重材料；并显示出良好的电化学性能。这项研究是开发
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TB383.2

【参考文献】