高品質(zhì)石墨烯的制備及其環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的性能研究.pdf

1、自2004年石墨烯問世，有關(guān)石墨烯的科學(xué)研究屢見不鮮。由于其優(yōu)異的物化性能，石墨烯被科學(xué)家寄予很高的期望，甚至有人認(rèn)為它可能引發(fā)新的材料革命。但石墨烯種種優(yōu)異的性能往往建立在片層薄、缺陷少、無雜質(zhì)等基礎(chǔ)上，即所謂的高品質(zhì)石墨烯。也只有品質(zhì)高的石墨烯才能在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮其獨(dú)特的價(jià)值。另外，面對發(fā)展日益迅猛的電子行業(yè)，高性能電子元件的散熱問題仍未得到有效的解決，而高性能熱界面材料的使用無疑是解決電子產(chǎn)品散熱問題的最好手段。因此，本論文針對高

2、品質(zhì)石墨烯制備及其復(fù)合材料性能研究做了以下工作:
　　1.本論文從鱗片石墨出發(fā)，在強(qiáng)酸體系下分別用氯酸鉀(Staudenmaier method)和高錳酸鉀(Hummers method)為氧化劑，制備了兩種氧化石墨烯(S-GO、H-GO);然后將兩種GO經(jīng)過馬弗爐1050℃熱膨脹剝離得到熱膨脹石墨烯(S-G1050、H-G1050)。通過對比，我們發(fā)現(xiàn)S-GO得到的G1050片層尺寸更大，膨脹效果更好，因此，實(shí)驗(yàn)以S法制備的G1

3、050為原料，用管式爐和高溫石墨化爐在1300-2800℃的溫度范圍內(nèi)分別退火2h，得到不同溫度處理的熱退火石墨烯(TAG)，其中2800℃退火2h得到的TAG2800片層較薄(＜5 nm)，C/O的值高(97)，缺陷少(ID/IG=0.04)。另外，通過對比分析不同溫度退火處理的石墨烯，我們發(fā)現(xiàn)1500℃退火處理石墨烯中的殘余的含氧官能團(tuán)已基本消除完全，但含氧官能團(tuán)脫除所帶來的缺陷仍舊存在，直到退火溫度達(dá)到2000℃以上時(shí)，石墨烯的缺

4、陷才有明顯減弱。與此同時(shí)，高溫也造成了石墨烯片層之間的聚并，我們認(rèn)為這種聚并在高溫退火過程中是在所難免的;
　　2.本論文將不同退火溫度制備的石墨烯作為填料，以雙酚A型環(huán)氧樹脂E54、固化劑甲基六氫苯酐及穩(wěn)定劑DMP230為基體，通過離心脫泡機(jī)充分混合，在一定條件下固化得到高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電的功能性納米復(fù)合材料。我們發(fā)現(xiàn)高品質(zhì)石墨烯對環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱導(dǎo)電性能的提高甚為明顯，而且石墨烯的缺陷對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響也非常顯著。在填料量為10

5、 vol％時(shí)，高品質(zhì)石墨烯@環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率達(dá)到4.43 W·m-1·K-1，比純環(huán)氧樹脂熱導(dǎo)率(～0.179 W·m-1·K-1)提高了24倍，而同樣填充量的低品質(zhì)石墨烯@環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱率為2.46W·m-1·K-1，僅僅提高了13倍;
　　3.我們將購買的經(jīng)高溫處理的石墨烯納米微片(GNPs)和2800℃退火所得石墨烯(TAG2800)作為填料，將固化劑改為聚醚胺類固化劑D230和D2000，通過一些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，探索了高填充體系下

6、，長鏈固化劑D2000對復(fù)合材料韌性的修復(fù)以及TAG2800與GNPs在不同復(fù)配比例下導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能的變化。我們發(fā)現(xiàn)GNPs高填充情況下，對柔性環(huán)氧樹脂力學(xué)性能的影響是致命的。當(dāng)E54∶ D230∶D2000=100∶28∶40時(shí)，純單體的缺口沖擊可以達(dá)到127 kJ·m-2，當(dāng)加入10 wt％的GNPs時(shí)，缺口沖擊下降至8.4 kJ·m-2，當(dāng)填充量達(dá)到40wt％時(shí)，缺口沖擊僅有2.69 kJ·m-2。另外，當(dāng)我們將GNPs與TAG2