石墨烯基柔性导热材料的制备及导热性能的研究

发布时间：2020-05-22 00:27

【摘要】：近年来,随着电子技术及航天技术的快速发展,元器件的集成度及功率进一步增大,因此电子器件的热管理尤为重要。目前使用较多的热管理材料是金属材料,如铜、铝等,其特点是质量大、导热率低且柔韧性较低,这与电子产品的微型、质轻发展等特点不相符。因此,本文以当前导热性能最好的石墨烯作为基材,针对前驱体氧化石墨烯(GO)制备成膜时的搭接问题,采用碳纤维(CF)及碳纳米管(CNTs)作为导热膜的添加材料,研究相关参数对导热膜内片层的搭接及其综合性能的影响,并探讨柔性导热单元的制备及导热性能,结论如下。添加剂对柔性导热膜的性能影响:采用改良的Hummers法制备氧化石墨烯,向氧化石墨烯溶液中添加适量的碳纤维及碳纳米管,柔性导热膜的抗拉强度及热扩散系数均明显提升。原因在于:添加的碳纤维及碳纳米管能在石墨烯片段搭接处形成导热通道,并可填充在导热膜经热还原时形成的气囊空腔。因此,添加碳纤维及碳纳米管可明显改善柔性导热膜内部的导热通道,并有效排出热还原产生的气体,使得导热膜的传热性能和抗拉强度均有明显提升。热还原温度及压力对柔性导热膜性能的影响:将导热膜在高温高压下进行处理,由微观表征及宏观测试结果可知,热还原及热压过程对导热膜中片段搭接具有明显影响。柔性导热膜经过热还原处理后,其含氧官能团分解产生的气体容易冲击片层之间的搭接并造成石墨片搭接紊乱,但随着还原温度的进一步升高,含氧官能团的分解加剧的同时,碳键杂化结构也由SP~3转向SP~2,最终使得导热膜的热扩散系数值在1000℃时发生突变。热压法处理导热膜可改善由热还原造成的片层搭接的紊乱问题。随热还原压力的增大,导热膜的密度也随之增大,且导热膜内片层搭接处保持稳定。热还原条件为1000℃/12MPa,柔性导热膜的热导率达到490.951W/(mK)。柔性导热元件的制备及性能:石墨烯基导热膜通过折叠、压制成的导热带的传热性能明显优于铜箔,但将其搭建制备成柔性导热元件时,其对恒温热沉的降温效果略差于自制铜导索,其原因在于柔性导热元件内存在两处焊接,因此引入了额外的接触热阻且焊料导热系数较低,从而导致柔性导热元件传热性能略差。但是此柔性导热元件能将热沉温度由125.4℃降低至110.6℃,表明其具有良好的传热效果。
【图文】：

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热膏和导热垫片主要是用在 CPU 与热沉之间，用以减小界面间的接触的导热质量，可称为是柔性界面导热材料。动组件（如光学遥感器活动焦面组件）间的导热，则通常是采用柔性组件与附近固定的结构或热沉连接。譬如在真空热环境中，某光学遥的专用测试系统，在测试系统使用过程中，由于制冷机会发生有规律的1mm 左右，因此无法将制冷机的机头与镜头直接相连，，而采取制冷机行降温，在通过铜环将冷量传递到镜头，实现温度控制的目的。面对，若采用柔性连接就能有效的解决类似活动组件件的传热问题。图 1置原理图，采用 60 根铜制导热索将镜头表面与铜环之间连接并达到所使用的铜导热索如图 1-2 所示，采用高纯度铜丝进行编织成具有一，采用导热率为 397W/(mK)的单根铜丝编织成导热索。利用铜丝编制铜既可保持较高的导热性又具备一定的柔性。但缺点在于质量较大，备的减重要求。因此柔性导热介质应具备柔性、高导热及质轻的特点

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图 1-2 铜导热索示意图Fig.1-2 A schematic view of thermal conductivity of copper cable以铜导热索为例应用在空间技术方面的实例，但这并不符合航天卫星在目前常用的电子设备中，仍是采用传统金属材料将热量传导至热沉的方式将热量散除，然而目前电子设备正向轻量化、微型化及便携化散热技术必须进行改善，否则电子设备向轻量、微型及便携化发展必质轻、高导热材料的研究成为解决此类问题的关键。论文针对空间狭小的电子设备及卫星活动组件间的传热问题，提出寻，制备出传热性较好的导热膜，再进行加工制成柔性导热元件。研究导热膜的制备及柔性单导热元件制备及应用，因此首先针对添加剂的石墨烯膜相关性能的影响进行探究，其次考虑温度及压强等因素对导性能影响，最后探索如何将导热膜制备成柔性导热元件并测试传热性上述内容的研究，制备出较高导热率的柔性、质轻的复合导热膜及柔
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

【参考文献】