石墨烯微片基复合材料的制备与导热性能

发布时间：2020-07-11 13:33

【摘要】：相变储热和聚合物材料分别在促进热能需求与供给平衡、替代传统高能耗的金属和陶瓷材料上具有重要作用。但单一的有机相变和聚合物材料热导率普遍偏低,限制了其推广使用。因此,高导热的复合相变材料和聚合物基复合材料的开发一直是国内外学者的研究热点。基于此,本研究以石墨烯微片(GNPs)为导热填料,先对其进行表面非共价键功能化,再分别与硬脂酸(SA)和聚乳酸(PLA)基材复合,制备了高导热纳米复合材料,采用实验和理论计算相结合的方法研究GNPs非共价键功能化增强复合材料导热性能的机理,主要内容如下:(1)石墨烯微片的表面改性。分别选用腐植酸钠(SH),单宁酸(TA)和氧化石墨烯(GO)对石墨烯微片(GNPs)进行非共价键功能化,制得改性石墨烯微片SH-GNPs,TA-GNPs和GO-GNPs。FT-IR,Raman,TGA以及TEM测试结果表明:SH,TA和GO均通过与GNPs形成π-π共轭作用成功对其进行了非共价键功能化,且均未对GNPs的晶格结构造成破坏。(2)改性石墨烯微片/硬脂酸复合相变材料。以SH-GNPs和GO-GNPs为填料,采用熔融共混法与硬脂酸(SA)基材复合,分别制得SH-GNPs/SA和GO-GNPs/SA复合相变材料。材料测试结果表明:1)SH和GO改性均能有效提高GNPs在SA基材中的分散性及其与基材的界面相容性,且GO-GNPs更易形成填料网络;2)SA基复合材料的热导率大小依次为:GO-GNPs/SASH-GNPs/SAGNPs/SA;3)与纯SA相比,复合材料仍然具有适宜的相变温度和较高的相变潜热,且SH改性能够显著提高复合相变材料的循环稳定性。(3)改性石墨烯微片/聚乳酸导热复合材料。以TA-GNPs和GO-GNPs为填料,采用溶液共混法与聚乳酸(PLA)基材复合,分别制得TA-GNPs/PLA和GO-GNPs/PLA导热复合材料。材料测试结果表明:1)TA和GO改性均能有效提高GNPs在PLA基材中的分散性及其与基材的界面相容性,且GO-GNPs更易形成填料网络;2)当填加量≤8wt%时,PLA基复合材料的热导率大小依次为:TA-GNPs/PLAGO-GNPs/PLAGNPs/PLA,超过8wt%后,GO-GNPs/PLA导热系数最大;3)相比起纯PLA,复合材料的玻璃化转变温度提高,冷结晶温度和结晶度均降低。(4)导热机理分析。选用Y.Agari和Chu模型对硬脂酸和聚乳酸基复合材料的导热性能进行拟合分析,分别计算得到导热网链因子C_2和界面热阻因子R_k。分析结果表明:1)相比于石墨烯微片,改性石墨烯微片可以有效提高复合材料的C_2和降低复合材料R_k,进而表现出更好的传热强化效果;2)在三种改性剂中,GO改性效果最好的原因是其能在更大程度上提高复合材料的C_2和降低复合材料R_k;3)对于GO改性,在SA基复合材料中其对降低R_k的作用更大;而在PLA基复合材料中,其主要贡献于提高C_2。
【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】：TB332
【图文】：

石墨,构象,单层

图 1-1 单层石墨烯的典型构象[1]Figure 1-1 Typical conformation of single-layered graphene1.2.2 石墨烯的热学性能石墨烯属于非金属晶体材料，其主要是通过晶格的振动，即晶格波(声子)的运输来实现热量的传导。得益于石墨烯碳原子间牢固的结合和高度有序、稳定的晶格结构，声子能够在石墨烯平面内快速传递而极少发生散射，因此石墨烯具有极佳的导热性能。事实上，石墨烯的声子平均自由程可达 775nm，远大于其他高导热碳材料，纯的石墨烯的热导率高达 5300W/mK ，高于单壁碳纳米管 (3500W/mK) 和多壁碳纳米管(3000W/mK)[2][4]。1.2.3 石墨烯功能化研究进展尽管石墨烯具有极佳的导热性能，非常适合作为导热填料，制备高导热纳米复合材

石墨烯微片基复合材料的制备与导热性能

原始GNPs(a)，SH-GNPs(b)和TA-GNPs(c)的TEM图

石墨烯微片基复合材料的制备与导热性能

GO(a)，GNPs(b)，GO:GNPs=1:20(c)和1:10(d)下GO-GNPs的TEM图;

【参考文献】