三维石墨烯导热网络的构筑及其导热复合材料的研究

发布时间：2020-06-26 19:01

【摘要】：随着电子器件的集成化和小型化,如何及时高效地将多余的热量扩散出去,成为一个极大的挑战,如果不能及时扩散多余的热量将严重影响电子产品的性能和寿命。目前人们普遍使用热界面材料(TIMs)解决多余热量扩散的问题。传统的TIMs 一般由聚合物和导热填料构成。不同于传统的导热填料,例如金属纳米颗粒、氮化硼片层和碳纳米管,石墨烯拥有极高的面内热导率(～5300 W m-1 K-1),因此它被认为是特别有前景的导热填料。然而,石墨烯热界面材料的热导率往往低于人们的预期,主要是因为石墨烯片层之间接触很疏松,产生很高的界面热阻。另外,较低的石墨烯含量也不利于热导率的提高。为了解决这些问题,在和高分子复合之前,先构筑一个高密度的石墨烯三维网络,被认为是提高热导率十分有效的方法。除此之外,石墨烯的品质对于提高石墨烯复合材料的热导率也是十分重要的影响因素。因此,我们通过水热法和自然干燥法制备了高密度的石墨烯三维网络。经过高温热处理之后,得到的高品质石墨烯网络与高分子复合。该三维石墨烯复合材料具有极其优异的导热性能,在热量管理方面有很大的应用前景。1、石墨烯/氮化硼混合气凝胶的制备及其各向异性环氧树脂导热复合材料:虽然石墨烯气凝胶能够形成导热网络,可以用来制备热扩散复合材料,然而它较低的密度和各向同性的结构限制了复合材料热导率的提高。在此,具有长程有序结构和较高密度的各向异性石墨烯/氮化硼气凝胶第一次通过水热还原氧化石墨烯和氮化硼的混合分散液,然后自然干燥的方法得到。在水热过程中,还原氧化石墨烯(RGO)通过自组装形成各向异性的长程有序结构,同时氮化硼片层分布在RGO中,防止在自然干燥过程中气凝胶体积过度收缩,从而保持气凝胶的各向异性的孔结构和较高的孔隙率。经过2000℃热处理之后,RGO上的含氧官能团被去除,缺陷也得到修复。热处理后的气凝胶能够极大的提高环氧树脂基体的热导率,得到的复合材料垂直热导率能够达到11.01 Wm-1 K-1,热导率增强系数能够达到277%。2、高品质石墨烯混合气凝胶的制备及其各向异性环氧树脂导热复合材料:石墨烯热界面材料虽然在扩散电子器件运行时产生的热量方面有很高的潜力,但是它们的应用受限于自身并不是很高的热导率。这主要来自于石墨烯的不完全分散、低的填充量和品质以及石墨烯片层和基体之间的界面热阻。在此,我们通过水热法和自然干燥法将氧化石墨烯与石墨烯纳米微片(GNPs)制成了具有较高密度的垂直取向的石墨烯混合气凝胶。RGO在水热过程中构成包裹GNP的垂直取向的三维网络,同时GNP不仅可以提高石墨烯网络的密度,还可以防止自然干燥的过程中发生体积的过度收缩。2800℃石墨化处理,去除掉RGO上残余的含氧官能团,修复了上面的缺陷,从而得到高品质的石墨烯混合气凝胶。这种垂直取向的高密度高品质的石墨烯混合气凝胶很适合在环氧树脂中构筑导热网络,从而极大的提高环氧树脂基体的热导率。该复合材料的热导率能够在石墨烯含量为19.0 vol%时,达到35.5 W m-1 K-1。这种超高的热导率使得它很适合用于热量管理领域。3、高品质石墨烯气凝胶的制备及其各向同性高导热相变复合材料:太阳能作为一种常见的可再生能源,可以被相变材料通过光热转化与储存的方式收集起来。然而,传统的相变材料具有较低的热导率和较差的尺寸稳定性,使得它们的热扩散效率低,从而限制了它们的光热转化与储存的效率。在此,我们用水热还原氧化石墨烯和石墨烯纳米微片(GNP)的混合分散液然后自然干燥的方法制备了各向同性的高密度石墨烯气凝胶。还原氧化石墨烯构筑了三维网络的主体,而GNP用来增强三维网络,防止体系在自然干燥的过程中过度收缩。经过2800℃热处理,去除了 RGO上的含氧官能团,修复了上面的缺陷,从而得到高品质的石墨烯气凝胶。该气凝胶赋予了十八醇相变材料极高的热导率,在填料含量为13 wt%时,热导率能够达到9.5 W m-1 K-1。同时,材料还具有很好的尺寸稳定性和很高的熔融潜热(209 J g-1)。不仅如此,它们能有效地将光能转化成热能,并以相变潜热的方式储存起来,光热转化与储存效率能够达到89.2%。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TQ127.11
【图文】：

过程图,电化学,液相,外延生长

图１－２．邋（ａ）电化学剥离示意图⑶，（ｂ）液相剥离过程中浸润、插入、剥离和稳定的过程示逡逑意图［８］。（ｃ）邋ＧＯ邋的邋Ｌｅｒｆ邋－邋Ｋｌｉｎｏｗｓｋｉ邋模型示意图［１４］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２．逦（ａ）邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｆｏｒ邋ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｅｘｆｏｌｉａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｇｒａｐｈｉｔｅ［３］，（ｂ）邋Ｓｃｈｅｍｅ逡逑ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗｈｏｌｅ邋ＬＰＥ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ邋ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ，邋ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ，邋ｅｘｆｏｌｉａｔｉｏｎ，邋ａｎｄ邋ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ＾８＾，邋（ｃ）逡逑Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋Ｌｅｒｆ邋－邋Ｋｌｉｎｏｗｓｋｉ邋ｍｏｄｅｌ邋ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ邋ａｍｂｉｇｕｉｔｙ邋ｒｅｇａｒｄｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｐｒｅｓｅｎｃｅ邋（ｔｏｐ）邋ｏｒ逡逑ａｂｓｅｎｃｅ邋（ｂｏｔｔｏｍ）邋ｏｆ邋ｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ邋ａｃｉｄｓ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｐｅｒｉｐｈｅｒｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｂａｓａｌ邋ｐｌａｎｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｇｒａｐｈｉｔｉｃ邋ｐｌａｔｅｌｅｔｓ逡逑ｏｆＧＯ［１４］逡逑１．２．２自下而上的方法逡逑自下而上的方法包括外延生长法和化学气相沉积法（ＣＶＤ）。逡逑１．２．２．１外延生长法逡逑

示意图,铜基体,多晶,长石

成都有所差别。其中ＧＯ的大小对于其制备的石墨烯材料的性能有很大的影响。逡逑这里为了方便区分，我们把粒径大于１０邋ｕｍ的ＧＯ片层称为大片ＧＯ邋（ＬＧＯ）。逡逑以这种ＬＧＯ片层为前驱体的石墨烯材料，性能有了很大提高，如图１－４所示。逡逑ＬＧＯ膜的杨氏模量、导电导热性能，ＬＧ？溶液的剪切粘度和储能模量都比小片逡逑ＧＯ的要高很多［１９１。因此，目前很多的研究者倾向于使用尺寸较大的ＬＧＯ为前逡逑驱体制备石墨烯材料。然而，虽然ＧＯ很容易通过天然石墨氧化剥离得到，要得逡逑６邋＇逡逑

【相似文献】