石墨烯基复合材料的制备及其在热管理材料方面的应用研究

随着下一代电子产品的迅速发展,轻型化和小型化的电子设备对热管理材料的散热要求越来越高。不仅要求高效的导热以及散热性能,还要求材料密度低、重量轻。传统的热管理材料(如金属铜片),由于重量较大,无法满足便携式设备的要求。目前,聚合物基复合材料由于重量轻和高导热等优良性能很有可能作为热管理材料取代金属散热器。石墨烯由于有着超大的比表面积、高的电子迁移速率、优异的导热性和机械强度等特性使其在复合材料领域有非常大的理论研究和应用价值。然而,目前大多数的石墨烯基复合材料中,石墨烯并没有发挥出超高的热学性能。如何发挥复合材料中石墨烯优良的热学性能将是一个具有挑战性和有意义的研究课题。本论文围绕着这些问题,制备了高导热的石墨烯基复合材料,主要的研究内容及结论如下:本文采用超临界二氧化碳剪切剥离制备无缺陷石墨烯,使用AFM和TEM表征了石墨烯形貌与结构。制备出了大小尺寸为1.5μm,厚度为3层,晶格结构完整的石墨烯片层。比较了真空干燥法和真空微滤法制备的石墨烯/PVA复合膜的性能,结果显示真空微滤法能制备独立存在、低密度、柔韧性良好、高含量石墨烯的复合膜。探究了复合膜的成膜机理,通过控制石墨烯悬浮液与PVA溶液体积比例,制备了石墨烯含量为20wt.%~65wt.%的石墨烯/PVA复合膜。使用SEM对不同含量石墨烯复合膜的表面形貌和横截面形貌进行了表征。结果表明,通过真空微滤的方式,在表面活性剂的作用下,石墨烯含量为20~50wt.%时,石墨烯能够均匀分散在PVA中,形成完整均匀的导热网络。同时,随着石墨烯含量的增加,复合膜内的层状结构趋于稳定,形成了整齐的层状结构。但是,当石墨烯含量为65wt.%时,石墨烯会发生聚集,在PVA中的分散性变差。同时,石墨烯的聚集会严重破坏复合膜的层状结构。利用激光闪射法测定了不同石墨烯含量的复合膜的导热系数。采用Maxwell-Garennt模型探讨了复合膜导热系数与石墨烯含量的关系,当石墨烯含量为20~50wt.%时,由于复合膜分散均匀,热阻较小,排列整齐。复合膜的导热系数随着石墨烯含量的增加而不断上升。但是,当石墨烯含量进一步增加(65wt.%)后,石墨烯发生聚集,石墨烯层数增加,石墨烯自身的导热系数大大下降。同时,界面热阻增加,复合膜的导热系数随着石墨烯含量的增加而下降。因此,降低石墨烯和聚合物的接触热阻、防止石墨烯的自身聚集、适当提高石墨烯含量对于提高复合膜的导热系数非常重要。测试了复合膜实际的散热性能,结果表明,与纯PVA相比,复合膜拥有优异的散热性能。它能有效的带走热源热量、降低热源温度,并快速地将热量转移到周围空气中。当石墨烯含量为50wt.%时,与纯PVA相比,它能将热源温度降低8℃。采用热重分析测定了复合膜的热稳定性,结果表明,在石墨烯的‘热屏蔽’作用下,复合膜的热稳定性大大提高。与纯PVA相比,复合膜的初始分解温度(失重率为5%)增加了约60℃,大大扩大了复合膜的热稳定范围。当石墨烯含量为50wt.%时,复合膜的初始分解温度为287℃。合成了改性石墨烯,将硅烷偶联剂(KH550)接枝在氧化石墨烯上,在石墨烯上引入长链烷基,使改性石墨烯能够均匀稳定地分散在硅油中。使用红外光谱表征了改性石墨烯,证明我们成功的合成了改性石墨烯。并且研究了不同碳材料以及改性石墨烯在硅油中的分散性以及稳定性,结果显示,改性石墨烯在硅油中的分散均匀,稳定性显著增强。研究了硅烷偶联剂种类以及含量对硅脂导热系数的影响,与KH550相比,KH570能显著改善硅脂的导热性能。本文也讨论了石墨以及改性石墨烯含量对导热硅脂导热系数的影响,在石墨(20wt.%)和改性石墨烯(15wt.%)的协同作用下,导热硅脂的导热系数大大提高,可达1.26W/mK。