石墨烯及其树脂基导热复合材料的制备与表征

发布时间：2020-05-11 20:51

【摘要】：随着电子器件的小型化和集成度越来越高,散热已成为影响其使用寿命的关键问题。因此,需要在发热元件与散热器之间加入具有高导热系数的热界面材料(TIMs),以迅速传导热量,降低热点温度。由于传统金属基复合材料表面粗糙度的影响,电子器件与散热器之间的接触面不匹配增加了截面热阻,所以需要一种高导热填充剂的聚合物基的TIMs来弥补这些缺点。石墨烯具有许多优异性能引起了人们的广泛关注。特别是其高的面内导热系数(5300W/m?K)和大比表面积(2630m~2/g),使其成为提高聚合物基复合材料的导热系数的最合适的填料。本文主要研究了不同方式制备了石墨烯的优势与不足,并利用石墨烯与树脂硅胶和环氧树脂制备导热复合材料,制备的导热复合材料在相对低的石墨烯添加量的条件下使复合后材料的导热性能提升明显。在本工作中,我们利用不同的方式制备了不同类型的石墨烯粉体,分别为氧化石墨烯(GO)、还原氧化石墨烯(RGO)、球磨法制备石墨烯纳米片(BM-GNPs)、均质法制备石墨烯纳米片(H-GNPs)。并用SEM、Raman、四探针电阻测试仪等对其进行了表征。并利用RGO、BM-GNPs、H-GNPs石墨烯粉体作为导热填料分别与硅胶和环氧树脂复合制备成导热片,并利用激光热导仪测量了它们的导热率,SEM观察其断面形貌,XRD分析其成分,同时我们还利用不同的导热片模拟电子器件在实际工作中的构造制备了简易的散热器件。结果表明利用BM-GNPs复合而成的硅胶导热片(GNPs-GS)的导热系数在10wt.%添加量的情况下达到了0.38W/(m·k),与纯的硅胶片(Pure-GS)相比,其导热系数增加了90%。而利用H-GNPs复合而成的硅胶导热片(GNPs-SGS)在5wt.%添加量的情况下其导热系数达到了0.43W/(m·k),与Pure-GS和相同质量分数的前驱体石墨制备的导热片(GPs-SGS)相比,增加了110%和50%。同时利用以上两种导热片构造的简易散热器件,其在模拟的实际应用中都发挥了明显的效果。然而,在利用RGO作为导热填料制备的导热片却没有表现出明显的导热性能的提升。此外,我们还利用H-GNPs与环氧树脂复合制备了电子封装TIMs,并且在其固化的过程中加入磁场制备了导热性能各向异性的导热复合材料,通过对其平行于磁场方向和垂直于磁场方向以及无磁场制备的导热片的导热率进行表征,其存在有规律的递减关系,具体为:水平方向无磁场添加垂直方向。这表明在磁场的作用下,GNPs的取向发生了偏转,从而使复合后的导热材料在各个方向上的导热性发生了变化。这得益于GNPs的反磁特性,我们也通过光学显微镜观察到了其在溶液中偏转的过程。XRD被用于分析其成分,图谱中可以清晰的观测到树脂基体的衍射峰和石墨烯纳米片的特征峰。同时,SEM和AFM照片证实了所有的石墨烯粉体导热填料均为单层、少层、和多层的状态,并且利用SEM观测到了复合材料中石墨烯片的分布情况。拉曼光谱显示出了不同方式制备的石墨烯具有不同的特性,其中均质法和球磨法制备的GNPs缺陷较少,而化学法制备的GO和rGO相对具有较多的缺陷。
【图文】：

示意图,片层结构,石墨,示意图

大学硕士学位论文电灵敏特性（透光率 97.3%），在高性能化学和光电传感器领域也有极为关键的以上种种工业应用，都具有极大的想象空间，这也是为什么全世界都掀起了石工业研究的热潮，如欧洲的旗舰计划、韩国的石墨烯国家战略、新加坡的国家院等。中国的石墨烯研究和开发虽然在前沿领域的进展落后于欧美日同行，但业化方面却是最积极、花费人力和物力最多的。在材料科研领域，和石墨烯相题数目是最多的；在工业领域，中国也诞生了几十家创业公司，从事和石墨烯关的产品开发活动；在金融领域，中国股市上有十几只石墨烯相关概念股票在作[15-17]。

导热机理,导热填料

图 1.2 热界面材料的导热机理（a）[25]和几种常见的热界面材料,（b）（d）导热硅脂及其应用，（c）（e）导热胶垫及其应用。Fig1.2 The mechanism of thermal conductivity of TIMs (a) [25]and several familiar TIMs, (b)(d)silicone grease and its application, (c)(e) thermal conductive silicone and its application.目前，制备聚合物基导热复合材料的途径主要有两条：一条是合成具有高热导率结构型的导热聚合物；另一条是将具有高热导率的金属或无机非金属作为导热填料填充到聚合物中。其中，前者的制备技术和工艺难度较大，后者的制备成本较低，容易成型加工，是经常使用的制备方法。因此，人们通常采用第二条途径用于聚合物基复合材料的制备。为了制备导热性能优异的热界面材料，人们通常向聚合物基体中添加导热填料或者改善导热填料的导热性能，从而提高热界面材料的导热性能[21]。韩艳春等[22]将 SiO2、Al2O3、Si3N4三种不同的陶瓷颗粒通过机械混合的方法将其复合，然后将其填充到环氧树脂中，研究填料种类和含量的不同对环氧树脂复合材料热导率的影响。结果发现，，复合材料的热导率与填料的含量有关，即随着填料含量的增加而增加，在填料添加量相同的情况下，含 Al2O3
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】