高性能石墨烯基导热和应变传感复合材料的应用研究

发布时间：2021-08-14 06:04

　　石墨烯自发现以来,其热学、电学、力学、光学等物理性质得到了深入的研究,为其在热管理、传感器、力学增强、透明导电薄膜、储能等领域的应用提供了基础。单层石墨烯的热导率高达5300 W/mK,是目前热导率最高的材料,超过铜热导率的10倍。同时,石墨烯具有与铜可比拟的导电性。石墨烯高热导率和高电导率的特点使其在复合材料领域受到了极大的关注并表现出巨大的应用前景,其中在聚合物基复合材料方面,石墨烯作为功能性填料可以赋予复合材料优异的导电、导热性能。本论文系统研究了天然橡胶中石墨烯导热和导电网络的设计构建,并探索了其在导热复合材料和应变传感器中的应用。取得的主要结果如下:（1）设计制备了具有高热导率的定向排列石墨烯纳米片/石墨烯泡沫/天然橡胶（GNs/GF/NR）复合材料,在低石墨烯添加量的情况下获得了显著的导热增强效果。在石墨烯（GNs和GF）含量仅为6.2 vol%时,面内热导率高达10.64 W/mK,垂直热导率高达3 W/mK。相比于纯的天然橡胶,室温下热导率提升率（TCE）为8100%,单位体积百分比石墨烯的热导率提升率（specific TCE）高达1300%,为目前报道的最高值。同时... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

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【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．１石墨烯二维材料是构成其他维数材料的基本单元，它可以包裹成零维的富勒??烯，也可以卷曲成一维的碳纳米管，还可以堆叠成三维的石墨｜？

?动，从而赋予了石墨烯优异的导电性［５］。二维石墨烯的能带结构与三维石墨不同，??图１．２是石墨烯晶体结构Ｗ及能带结构和布里渊区图Ｗ，导带（７！电子）与价带??（ｆ）在费米能级相交于６个点，这些点称为狄拉克点，无质量，密度态为０，??所以石墨烯可以看作是零带隙半导体。在低能量中，色散是线性的，取决于Ｋ和??点的锥形截面。从而石墨烯中的电子和空穴可以用狄拉克相对论方程来描述，??表明石墨烯中的准粒子与传统块体材料有很大的区别。??ＶｃＶ?＾１１??图１．２石墨烯结构。??（ａ）石墨烯晶体结构％?（ｂ）石墨烯能带结构和布里渊区ｍ。??１．２．２石墨烯的电学性能??石墨烯的优异电子质量特点引起了研宂人员的极大兴趣。石墨烯表现出明显??的双极性电场效应，如图１．３?（ａ）所示，在室温大气环境下，载流子浓度高达１０１３??ｃｎＴ２且电子和空穴可连续调控，迁移率可达ｂＯＯＯｃｎ＾Ｖ－Ｖ１。在室温下观察到的??载流子仍然受到杂质散射的影响，在不受杂质散射影响的情况下，迁移率可高达??１０５ｃｍＷ％在电子和化学掺杂器件中，石墨烯在高载流子浓度（ｎ＞ｌ〇１２ｃｍ＿??２）下可仍保持高的迁移率

碳材料的室温热导率涵盖了几乎所有范围，从热导率最低的无定形碳??（０．０１?Ｗ／ｍＫ）到热导率最高的石墨烯（５３００?Ｗ／ｍＫ）和碳纳米管，跨度达５个??数量级，如图１．４所示。寻找到具有优异性能的导热材料对下一代的集成电路和??三维电子器件的设计至关重要。纳米尺度结构上的变化可以改变材料的导热性能，??如纳米线的导热能力远不如块体的导热能力，这是因为声子散射边界的增加和声??子色散的改变所导致的［＾］。碳材料ＩＩ－金刚石在温度接近７７?Ｋ时，热导率高达??１００００?Ｗ／ｍＫ；碳纳米管宏观体是最好的块体热导体，其室温热导率在３０００－３５００??Ｗ／ｍＫ范围内。石墨烯的发现使严格二维晶体中的热传递在实验上成为了可能，??第一次石墨烯热导率的测量是由Ａ．?Ａ．?Ｂａｌａｎｄｉｎ教授课题组通过拉曼表征测试得??到的，其热导率高达５３００?Ｗ／ｍＫ，超过了石墨的上限，激起了广大研究者探索其??４??


本文编号：3341916