石墨烯-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料導(dǎo)熱性能研究.pdf

1、以環(huán)氧樹脂為代表的高分子聚合物在電子設(shè)備、電子封裝和航空航天領(lǐng)域中有著廣泛的用途。隨著電子行業(yè)的發(fā)展，高性能電子元件在工作時會產(chǎn)生大量熱量，過量的熱量會對系統(tǒng)本身造成傷害。在高功耗系統(tǒng)中使用高導(dǎo)熱材料或熱界面材料消耗熱量，提高散熱性能是有其必要性的。通常來說，雖然環(huán)氧樹脂具有低密度、易加工和耐腐蝕的優(yōu)點在工業(yè)生產(chǎn)中得到大量應(yīng)用，但是較低的熱導(dǎo)率(0.2 W/mk)限制了其在高性能系統(tǒng)中的進(jìn)一步發(fā)展。為了克服這個問題，在環(huán)氧樹脂中加入高熱

2、導(dǎo)率的填料以提高環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能是一種簡單直接而有效的方案。本論文就環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的填料制備和導(dǎo)熱性能研究展開如下工作:
　　1.我們使用不同尺寸的石墨烯納米微片分散在環(huán)氧樹脂基體中，形成具有高熱導(dǎo)率的石墨烯微片/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料。在相對較低的填充量(40 wt％)下，所制備的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到了3.0W/mK，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純環(huán)氧樹脂0.2 W/mK的熱導(dǎo)率。這種超高的熱導(dǎo)率是通過高度分散的二維結(jié)構(gòu)石墨烯微片之間充分

3、的接觸所形成的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)而實現(xiàn)的。在加壓固化過程中，填料之間的相互接觸更為有效，所制備的石墨烯微片/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的缺陷密度更低。值得注意的是，與石墨烯微片/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電導(dǎo)率不同，我們未發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)率逾滲閾值存在的證據(jù)。石墨烯微片在環(huán)氧樹脂中的有效分散為樹脂基體中理想導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成提供了良好的基礎(chǔ)，為導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化提供了潛在可能性。
　　2.我們成功制備了氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)改性的石墨烯微片

4、，并以此為填料制備了高導(dǎo)熱石墨烯微片/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。與未改性的石墨烯微片相比，改性的石墨烯微片有效的提高了石墨烯和環(huán)氧樹脂之間的界面相容性。界面相容性的改善可以有效減少界面間的缺陷，促進(jìn)了大粒徑高水平熱導(dǎo)率的石墨烯微片在環(huán)氧樹脂基體中的分散性，同時減少了石墨烯微片和環(huán)氧樹脂之間的界面熱阻，提高了石墨烯微片/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱傳輸性能。在30wt％填充量下得到了導(dǎo)熱系數(shù)為2.88 W/mK的石墨烯微片/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，是純環(huán)氧樹脂

5、的熱導(dǎo)率的14.4倍。
　　3.我們將氧化石墨烯成功包裹在表面被APTES修飾過的四針狀氧化鋅晶須表面。在此基礎(chǔ)之上，通過熱退火或UV還原的方式，制備了不同還原程度的石墨烯包裹四針狀氧化鋅晶須。通過將石墨烯包裹的氧化鋅和環(huán)氧樹脂復(fù)合，制備了熱導(dǎo)率達(dá)到5.06 W/mK的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。在四針狀氧化鋅晶須構(gòu)建的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，隨著氧化鋅表面上的石墨烯的還原程度的提高，還原的石墨烯對整個復(fù)合材料的熱導(dǎo)率起到了從抑制到提升的作用。由