石墨烯及其复合材料导热系数测量的研究进展
发布时间：2021-08-27 23:08
石墨烯是当下材料学研究的热点和难点,其优越的导热性能,超越了绝大多数的材料,具有广泛的运用前景。近10年来,石墨烯产业的快速发展对其导热系数准确测量的需求越来越迫切。对石墨烯及其复合材料的定义、制备方法和在散热上的应用进行了综述;介绍了传统的导热系数测量方法,以及适用于石墨烯导热系数测量的激光闪光-拉曼光谱法和电热微桥法,对比了部分文献报道的石墨烯导热系数测量值;对熔融注塑法制备的还原氧化石墨烯和聚丙烯复合材料样品的导热系数和热扩散系数进行了测量,从热扩散系数测量结果发现其导热性能存在严重的各向异性;根据测量研究进展指出当前石墨烯及其复合材料导热系数测量存在的问题,并分析了导致这些问题的原因;最后,对石墨烯及其复合材料导热系数测量的研究进展进行总结和展望。
【文章来源】：计量学报. 2020,41(02)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
LF-R测量1LG导热系数原理图[15]
除了FL-R外，还有基于传统热桥法[40]发展而来的电热微桥法也可以对纳米材料的导热系数进行有效测量。2013年，美国德克萨斯大学的Jo I和日本国家材料科学研究所(NIMS)的Watanabe K[41]等人，采用了电热微桥法对新型纳米材料少层氮化硼(hBN)进行了测量，并取得了较好的测量结果，提出该方法也适用于石墨烯材料导热系数的测量。电热微桥法测量装置结构如图3所示。研究者在宽度为Lc的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)条块表面上制备了4条Cr/Pt合金的电阻带并将其串联构造成了测量电桥，中间有2根长度为L的SiNx圆柱相连接，将宽度为W，厚度为t的石墨烯薄膜置于微桥法装置上;GF中间位置处于悬空状态，通过测量4条热带的阻值可以分别得到热带上T1～T4温度的变化，根据解析模型获得导热系数。电热微桥法导热系数测量解析模型为:
2017年，Kim S等[64]等对铜基石墨烯复合材料进行了研究，在材料制备过程中使用METZSCH FLA447对热扩散系数进行测量，发现在添加质量分数为0.1%和0.3%r GO后的铜基石墨烯复合材料比纯铜的热扩散系数分别提高了1.3%和1.2%，然而继续添加反而会起到负面的效果;Lin C J等[65]使用METZSCH FLA447对氧化铝基石墨烯复合材料进行了测量研究，指出了热物性特征很大程度上取决于微观结构，添加体积分数为5%的GNPs能使GNPs连接成网状，添加体积分数为2%时导热系数能提高约50%，当添加体积分数至8%时，其导热系数值又与纯氧化铝的导热系数值相近。为充分调研石墨烯复合材料导热系数的测量研究情况，本课题组购买了型号为XC-GPP100的石墨烯-聚丙烯复合母粒，其使用的是型号XC-G100的rGO粉体同PP进行复合，其中rGO含量约为3%，采用熔融注塑法制备了一批样品，对表面进行平整化处理后尺寸为(192 mm×143 mm×25 mm)±0.5 mm。使用Hot Disk的TPS 2500S对其导热系数进行测量，在室温下测量结果在0.3167～0.327 2 W/(m·K)之间;同时还使用了热带法快速导热仪QTM-500对样品进行了测量，在室温下样品导热系数在0.295 5～0.339 1 W/(m·K)之间。为分析样品内部的导热情况，随机挑选了一块样品，分别沿长度方向和宽度方向铣切了直径为12.7 mm，厚度为2 mm的小样品，每个方向随机挑选4个样品，采用METZSCH LFA467对其热扩散系数进行了测量，长度方向的样品测量结果分别为0.269,0.277,0.263,0.259 mm2/s;宽度方向的样品测量结果分别为0.173,0.175,0.163,0.155 mm2/s。从测量得到的热扩散系数来看，制备的石墨烯/聚丙烯复合材料存在明显的各向异性，各向异性比甚至超过了60%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯材料NQI技术全链条实施经验[J]. 任玲玲. 计量学报. 2019(03)
[2]金属材料的石墨烯强韧化[J]. 郭强,赵蕾,李赞,李志强,熊定邦,张荻. 中国材料进展. 2019(03)
[3]导热塑料在LED散热器的应用与优化设计[J]. 郭利. 塑料工业. 2019(03)
[4]冷壁CVD法制备石墨烯层数检测方法研究[J]. 周志峰,张小敏,毛勤卫,董国材. 计量与测试技术. 2018(11)
[5]温度对堆叠双层石墨烯层间耦合的影响[J]. 盛祥勇,任玲玲,姚雅萱,于盛旺. 计量学报. 2018(06)
[6]石墨烯/聚合物复合材料导热性能研究进展[J]. 李松荣,胡照会,黄其忠,魏孝承. 高分子材料科学与工程. 2018(09)
[7]石墨烯微片的尺寸和形态对聚丙烯基纳米复合材料导电导热性能的影响[J]. 余浩斌,张婧婧,何穗华,杨涛. 中国塑料. 2018(03)
[8]石墨烯材料的制备与表征[J]. 杨桦,冯世成. 广东化工. 2018(05)
[9]石墨烯NQI技术调研[J]. 任玲玲,卜天佳,唐琪雯,周志峰,刘伟丽. 中国计量. 2018(02)
[10]石墨烯材料发展现状与趋势[J]. 史冬梅,何大方,张雷. 科技中国. 2018(01)
本文编号：3367280
【文章来源】：计量学报. 2020,41(02)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
LF-R测量1LG导热系数原理图[15]
除了FL-R外，还有基于传统热桥法[40]发展而来的电热微桥法也可以对纳米材料的导热系数进行有效测量。2013年，美国德克萨斯大学的Jo I和日本国家材料科学研究所(NIMS)的Watanabe K[41]等人，采用了电热微桥法对新型纳米材料少层氮化硼(hBN)进行了测量，并取得了较好的测量结果，提出该方法也适用于石墨烯材料导热系数的测量。电热微桥法测量装置结构如图3所示。研究者在宽度为Lc的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)条块表面上制备了4条Cr/Pt合金的电阻带并将其串联构造成了测量电桥，中间有2根长度为L的SiNx圆柱相连接，将宽度为W，厚度为t的石墨烯薄膜置于微桥法装置上;GF中间位置处于悬空状态，通过测量4条热带的阻值可以分别得到热带上T1～T4温度的变化，根据解析模型获得导热系数。电热微桥法导热系数测量解析模型为:
2017年，Kim S等[64]等对铜基石墨烯复合材料进行了研究，在材料制备过程中使用METZSCH FLA447对热扩散系数进行测量，发现在添加质量分数为0.1%和0.3%r GO后的铜基石墨烯复合材料比纯铜的热扩散系数分别提高了1.3%和1.2%，然而继续添加反而会起到负面的效果;Lin C J等[65]使用METZSCH FLA447对氧化铝基石墨烯复合材料进行了测量研究，指出了热物性特征很大程度上取决于微观结构，添加体积分数为5%的GNPs能使GNPs连接成网状，添加体积分数为2%时导热系数能提高约50%，当添加体积分数至8%时，其导热系数值又与纯氧化铝的导热系数值相近。为充分调研石墨烯复合材料导热系数的测量研究情况，本课题组购买了型号为XC-GPP100的石墨烯-聚丙烯复合母粒，其使用的是型号XC-G100的rGO粉体同PP进行复合，其中rGO含量约为3%，采用熔融注塑法制备了一批样品，对表面进行平整化处理后尺寸为(192 mm×143 mm×25 mm)±0.5 mm。使用Hot Disk的TPS 2500S对其导热系数进行测量，在室温下测量结果在0.3167～0.327 2 W/(m·K)之间;同时还使用了热带法快速导热仪QTM-500对样品进行了测量，在室温下样品导热系数在0.295 5～0.339 1 W/(m·K)之间。为分析样品内部的导热情况，随机挑选了一块样品，分别沿长度方向和宽度方向铣切了直径为12.7 mm，厚度为2 mm的小样品，每个方向随机挑选4个样品，采用METZSCH LFA467对其热扩散系数进行了测量，长度方向的样品测量结果分别为0.269,0.277,0.263,0.259 mm2/s;宽度方向的样品测量结果分别为0.173,0.175,0.163,0.155 mm2/s。从测量得到的热扩散系数来看，制备的石墨烯/聚丙烯复合材料存在明显的各向异性，各向异性比甚至超过了60%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯材料NQI技术全链条实施经验[J]. 任玲玲. 计量学报. 2019(03)
[2]金属材料的石墨烯强韧化[J]. 郭强,赵蕾,李赞,李志强,熊定邦,张荻. 中国材料进展. 2019(03)
[3]导热塑料在LED散热器的应用与优化设计[J]. 郭利. 塑料工业. 2019(03)
[4]冷壁CVD法制备石墨烯层数检测方法研究[J]. 周志峰,张小敏,毛勤卫,董国材. 计量与测试技术. 2018(11)
[5]温度对堆叠双层石墨烯层间耦合的影响[J]. 盛祥勇,任玲玲,姚雅萱,于盛旺. 计量学报. 2018(06)
[6]石墨烯/聚合物复合材料导热性能研究进展[J]. 李松荣,胡照会,黄其忠,魏孝承. 高分子材料科学与工程. 2018(09)
[7]石墨烯微片的尺寸和形态对聚丙烯基纳米复合材料导电导热性能的影响[J]. 余浩斌,张婧婧,何穗华,杨涛. 中国塑料. 2018(03)
[8]石墨烯材料的制备与表征[J]. 杨桦,冯世成. 广东化工. 2018(05)
[9]石墨烯NQI技术调研[J]. 任玲玲,卜天佳,唐琪雯,周志峰,刘伟丽. 中国计量. 2018(02)
[10]石墨烯材料发展现状与趋势[J]. 史冬梅,何大方,张雷. 科技中国. 2018(01)
本文编号：3367280
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