铜表面石墨烯复合涂层制备及散热与抗腐蚀性能

发布时间：2020-05-22 22:20

【摘要】：大功率电子元器件的高集成度,要求器件体积越来越小,导致局部容易过热给传统的高热导率铜散热器带来挑战;同时在海洋腐蚀环境或特殊高温散热环境,要求铜散热器具有良好的抗腐蚀与抗高温氧化能力。本文提出在铜表面构建高导热、高发射率石墨烯或含石墨烯复合涂层,以提高辐射散热与抗腐蚀等综合性能。本文首先采用操作简单、高效环保的电化学剥离法制备高质量氧化石墨烯(EGO),进而构建出还原氧化石墨烯涂层(rEGO系)、还原氧化石墨烯系/羧甲基纤维素钠(rEGO/CMC系)、还原氧化石墨烯系/氧化铝/磷酸铝(rEGO/Al_2O_3/AlPO_4)三个体系涂层,研究涂层的组织结构对红外辐射性能、散热温降性能及抗腐蚀性能的影响。结果表明:电化学剥离法制备的EGO片层表面有明显褶皱,形状不规则;拉曼光谱显示I_D/I_G值为0.84;XPS显示C/O的原子比为1.17;红外光谱显示EGO中含有大量的环氧基和羟基在片层表面,少量羰基和羧基位于片层边缘;表明EGO片含有比较多的缺陷且具有比较高的氧化程度。采用电化学剥离的氧化石墨烯(EGO),分别构建并优化出还原氧化石墨烯涂层(rEGO)、还原氧化石墨烯/羧甲基纤维素钠(rEGO/CMC)、还原氧化石墨烯系/氧化铝/磷酸铝(rEGO/Al_2O_3/AlPO_4)涂层的最佳制备参数:电化学沉积还原氧化石墨烯涂层的最佳工艺为沉积电压10V、沉积时间2-11min、电解液浓度0.4-1.6mg/ml;rEGO/CMC涂层的最佳工艺配比为:rEGO:CMC=4:1、4:2、4:3、4:3,rEGO/Al_2O_3/AlPO_4的最佳工艺配比为Al_2O_3含量30wt%-40wt%、rEGO含量0.04wt%-0.16wt%。涂层与铜基体的结合力由大到小依次为rEGO/Al_2O_3/AlPO_4rEGO/CMCrEGO涂层。铜表面高发射率涂层可显著提高辐射散热效率:rEGO、rEGO/CMC、rEGO/Al_2O_3/AlPO_4涂层在3-20μm波段范围内具有较高的红外发射率,分别为0.80、0.77、0.78;铜表面涂层因具有高发射率值,可强化辐射散热温降和冷却效率,其散热效果依次为rEGOrEGO/Al_2O_3/AlPO_4rEGO/CMC涂层。涂层可不同程度的提高抗腐蚀性能:rEGO涂层的阻抗模值与腐蚀抗力随涂层厚度的增加而增大,腐蚀抗力高达3.27×10~4Ω·cm~2;rEGO/CMC涂层中,CMC在涂层中的含量过多,会使涂层的抗腐蚀性能下降,当rEGO:CMC=4:1时腐蚀抗力可达到6.45×10~4Ω·cm~2;rEGO/Al_2O_3/AlPO_4涂层中,当rEGO的含量为0.16wt%时,其在涂层中均匀分散,并形成腐蚀介质扩散屏障层,阻止腐蚀介质的渗入,显著提高涂层抗腐蚀性能,腐蚀抗力可达6.39×10~4Ω·cm~2。涂层抗腐蚀性能由强到弱依次为rEGO系rEGO/CMC系rEGO/Al_2O_3/AlPO_4系。
【图文】：

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文红外辐射散热机理外辐射 (即热辐射) 的本质是一种电磁波，凡是绝对温度大于零辐射电磁能，并处于发射和吸收的动态过程中，物体的辐射强度的辐射能力有关，辐射的光谱分布也与物体温度密切相关，当物大于吸收的热量时，该物体就会发生辐射散热。红外辐射散热机材料中的粒子 (包括电子、原子、分子等) 的运动状态和能级发外辐射电磁波的形式将热能传递或发射出去从而达到散热的效果括光子的衍射效应、散射效应、折射效应、反射和吸收效应等热红外辐射根据波长划分为 3 个区域：0.75-2.5μm 范围的波长是近电子能级之间的跃迁和分子振动；2.5-25μm 范围的波长是中红外子转动能级和振动能级之间的跃迁；25-1000μm 范围的波长是远分子转动能级之间的跃迁[13-15]。

电子被红外辐射中光子的激发，吸收能量后就会从低能量的能级导向更高能量的能级导带跃迁；但这属于不稳定的状态，之后电子就会从导带迁回价带，而多余的能量将以辐射热的形式释放到周围环境中，自身的热量低，起到散热的效果[16-18]。因此，对于固体材料，可以从调整晶格振动频率手，使材料的晶格点阵发生畸变，破坏晶体结构的对称性，改变能带结构，而使得偶极矩发生变化，促进红外辐射的发射和吸收，，有利于固体材料散热
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN05;TG174.4

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本文编号：2676699