基于多形态石墨烯的薄膜制备与多功能性研究

发布时间：2020-09-24 14:33

　　面对电子集成化技术的飞速发展,制备一种质轻、柔性及多功能性集一身的薄膜材料应用于散热与屏蔽领域至关重要。石墨烯是目前公认的高导电、高导热、力学性能优异的新型材料,二维的石墨烯薄膜则具有质轻、高性能、柔性等诸多优点,满足电子集成化发展需要的体积小且散热屏蔽一体化要求。目前对石墨烯薄膜的研究仅限于石墨烯薄膜的单一性能,无法兼顾多功能性,而为进一步提高石墨烯二维宏观体的多项性能,本研究提出了在氧化石墨烯体系内加入不同形态的石墨烯填料,发挥氧化石墨烯与石墨烯填料的各自优势,研究不同形态的石墨烯填料对石墨烯薄膜性能的影响,本文的主要研究内容如下:将化学切割制备而成的石墨烯纳米带与分散性良好的氧化石墨烯均匀混合后,利用冷冻干燥制备成混杂海绵,将海绵在高温真空热压条件下制备成混杂薄膜。该薄膜通过引入石墨烯纳米带在片层间形成共轭作用,提高了薄膜的力学性能,制备得到的混杂薄膜断裂强度为75 MPa,将薄膜的力学性能提升了近25%。该薄膜还具有高达510 W·m-1·K-1的热导率及63 d B的电磁屏蔽性能。为降低体系的缺陷含量,在氧化石墨烯中引入缺陷含量少结晶性好的石墨烯,按不同比例添加石墨烯,充分混合后利用Meyer法进行一定厚度的薄膜制备,将制备的薄膜分别进行1500℃与2000℃的高温处理。石墨烯的引入有效的降低了体系的缺陷含量,一定程度的提升了材料的导热与导电性能,1500℃处理后,混杂薄膜的热导率最高可达900 W·m-1·K-1,电磁屏蔽效能可达77 d B,于此同时石墨烯的加入引入了共轭作用,当石墨烯含量为25%时,断裂强度最大可达105 MPa。而经过2000℃的处理后,氧化石墨烯片得到了很大程度的修复,大片的修复的氧化石墨烯对热导率起到主要影响作用,氧化石墨烯含量为75%时具有最高热导率为1800 W·m-1·K-1,高于目前同等温度下制备得到的石墨烯薄膜,提高了近50%。共轭作用在2000℃高温下仍旧存在,随着氧化石墨烯含量增加拉伸强度有所增加,当石墨烯含量为25%时,拉伸强度为65 MPa,相比较纯氧化石墨烯制备的薄膜提升近60%,且具有高达7%的断裂延伸率,同时具有高达80 d B的电磁屏蔽效能。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.2;TQ127.11
【部分图文】：

电磁能量,传播过程,反射系数,工程硕士学位

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文质阻抗与电场磁场关系，带入到以上关系可得：磁波的反射系数为，所以用阻抗表示反射系数为：定义的透射系数为：

屏蔽机理,电磁屏蔽,传播过程,屏蔽效能

图 1-2 电磁屏蔽机理磁波在传播过程的屏蔽机理图，在屏蔽过程中通常是衰减电磁能量的作用，从而使得透射波能量降低，起蔽性能的物理量为屏蔽效能（shielding efficiency，SE根据屏蔽机理，屏蔽效能主要包括三部分，包括反射多重反射损耗，当吸收损耗的值大于 15 dB 时，内部以总的屏蔽效能（SET）可表示为吸收衰减的屏蔽效效能（SER）：数学表达式，以及 S 参数的定义如下：（）

声子,相互作用,过程,声子导热

（）（1-9）（）（1-10）利用矢量网络分析仪测试材料的 S 参数，从而可知材料的反射系数和透射系数，带入 1-9，1-10 式中求得反射和吸收的电磁屏蔽效能，再将结果带入 1-6 式中可得到材料的电磁屏蔽效能。1.2.2 固体导热机理导热的实质是依靠载体对能量的传输。常见的导热载体包括：声子（格波）、电子、光子（较高频率的电磁波）、磁激发等。通常情况下，固体材料的导热主要依靠声子与电子导热，当温度较高处将能量传递时，较高的能量使得声子或电子进行剧烈的振动，声子或电子在振动过程中，不断撞击周围的声子或电子，使得能像进行传输，从而实现材料内部热量的传递。金属材料主要依靠电子导热，伴随着声子导热，而石墨这种非金属半导体中，主要以声子导热为主。而影响声子导热的主要因素是声子在传输过程中的声子平均自由程，所谓声子平均自由程是声子在两次碰撞过程中声子所运动的距离。声子相互作用过程中主要包括两种形式：正常过程与倒逆过程，如图 1-3 所示。

【参考文献】