三维石墨烯复合材料的制备及导热性能研究

发布时间：2017-09-23 19:17

  本文关键词：三维石墨烯复合材料的制备及导热性能研究

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【摘要】：自2004年Geim等首次采用微机械剥离高定向热解石墨的方法成功制备出稳定的单层石墨烯以来,石墨烯因其独特的结构和优异的性能成为材料学和物理学邻域的一个热门研究课题。其中,三维石墨烯及复合材料能够将石墨烯固有的性质和三维结构材料所具有的优点结合在一起,使其具有比二维材料更加出众的性能和更广泛的应用前景。环氧树脂(Epoxy)和聚酰亚胺(Polyimide, PI)等聚合物具有力学强度高、电绝缘性能好和化学性质稳定等优点,因而广泛应用于电子封装领域。但它们的导热性较差,不能满足现代高速度、高密度电气系统的散热要求。而三维石墨烯的网络结构可以在基体内形成完整的导热通路,大大降低界面热阻,因此常将三维石墨烯作为增强材料添加到聚合物中,来改善基体的导热性能。本文以CH_4作为气体碳源,通过化学气相沉积法,在泡沫镍和镍网表面均匀生长出高质量的石墨烯,并通过Raman、TEM、XPS和SEM等技术手段来表征所得石墨烯的质量。利用大理石刻蚀液刻蚀掉金属模板,得到具有完整网络结构的三维石墨烯,然后将其添加到环氧树脂和聚酰亚胺中,并用LFA、IR、 TG等对复合材料的导热性能和热稳定性进行表征。研究表明：以泡沫镍和镍网作为模板,刻蚀掉金属后得到的三维石墨烯具有一定的强度,能够维持金属模板原来的形貌特征。(1)聚酰亚胺(PI)中加入12 wt%的石墨烯网(Graphene Woven Fabric, GWFs)时,GWFs/PI复合材料垂直方向的热导率为0.41 W/mK而水平方向的热导率高达3.73 W/mK,与纯PI相比,水平方向热导率增加了1418%,但垂直方向仅增加66%,具有明显的各向异性；(2)将不同层数的石墨烯泡沫(Graphene Foam, GF)加入环氧树脂(Epoxy)中得到的GF/Epoxy复合材料虽然具有各向同性的特点,但由于泡沫镍的孔径较大,因此刻蚀后所得GF在基体中的添量较低,不能为热量传递提供连续的网络结构,复合材料的热导率为0.43 W/mK,与纯Epoxy (0.15 W/mK)相比,仅增加187%；(3)将生长完石墨烯的长条镍网卷起来形成圆柱状,填充完环氧树脂后切片、刻蚀得到的GWFs/Epoxy复合材料在水平方向和垂直方向都具有较高的热导率,平均热导率为1.31 W/mK(比纯环氧树脂增加了911%),最大值高达1.67 W/mK,且具有良好的热稳定性。
【关键词】：热化学气相沉积法 三维石墨烯 复合材料 热性能
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB33
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-31
• 1.1 石墨烯简介11-23
• 1.1.1 石墨烯的发现11-12
• 1.1.2 石墨烯的结构和性能12-16
• 1.1.3 石墨烯的制备方法16-19
• 1.1.4 石墨烯的应用19-23
• 1.2 聚酰亚胺简介23-26
• 1.2.1 聚酰亚胺的结构和性质23-24
• 1.2.2 聚酰亚胺的应用24-25
• 1.2.3 聚酰亚胺的制备25-26
• 1.3 环氧树脂简介26-27
• 1.3.1 环氧树脂结构与性能26-27
• 1.3.2 环氧树脂的应用27
• 1.4 课题背景27-29
• 1.5 选题的意义、内容和创新之处29-31
• 1.5.1 选题的意义29
• 1.5.2 主要内容29-30
• 1.5.3 创新之处30-31
• 第二章 实验材料与方法31-39
• 2.1 实验原理31-32
• 2.2 实验材料32
• 2.3 实验设备32-34
• 2.4 石墨烯及复合材料的表征方法34-39
• 2.4.1 激光共聚焦拉曼光谱仪(Raman)34
• 2.4.2 光学显微镜(OM)34
• 2.4.3 场发射扫描电子显微镜(SEM)34-35
• 2.4.4 能谱仪(EDS)35
• 2.4.5 X射线光电子能谱仪(XPS)35
• 2.4.6 透射电子显微镜(TEM)35-36
• 2.4.7 激光导热仪(LFA)36-37
• 2.4.8 红外热成像仪(IR)37
• 2.4.9 热重分析仪(TG)37-38
• 2.4.10 宽频介电谱阻抗谱仪38-39
• 第三章 GWFs/PI复合材料的制备与表征39-53
• 3.1 引言39
• 3.2 实验部分39-41
• 3.2.1 GWFs的制备39-40
• 3.2.2 GWFs/PI复合材料的制备40-41
• 3.3 结果与讨论41-50
• 3.3.1 石墨烯的表征41-47
• 3.3.2 GWFs/PI复合材料表征表征47-50
• 3.4 本章小结50-53
• 第四章 GF/Epoxy复合材料的制备与表征53-61
• 4.1 引言53
• 4.2 实验部分53-55
• 4.2.1 三维石墨烯泡沫的制备53-54
• 4.2.2 环氧树脂的预处理54-55
• 4.2.3 GF/Epoxy复合材料的制备55
• 4.3 结果与讨论55-60
• 4.3.1 Raman表征56
• 4.3.2 SEM表征56-58
• 4.3.3 EDS表征58
• 4.3.4 TEM表征58-59
• 4.3.5 LFA表征59-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第五章 GWFs/Epoxy复合材料的制备与表征61-81
• 5.1 引言61
• 5.2 实验部分61-63
• 5.2.1 CVD法生长不同层数石墨烯61-62
• 5.2.2 GWFs/Epoxy复合材料的制备62-63
• 5.3 结果与讨论63-81
• 5.3.1 石墨烯的表征63-68
• 5.3.2 GWFs/Epoxy复合材料的表征68-81
• 第六章 结论与展望81-83
• 6.1 结论81-82
• 6.2 展望82-83
• 致谢83-85
• 参考文献85-93
• 附录 攻读硕士学位期间发表论文目录93

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本文编号：907022