三维石墨烯基纳米复合材料的制备及导热性能研究

摘要

电子器件向着微型化和智能化方向飞速发展，其功率密度越来越大，功耗产生的热量也越来越多，因此功率器件的温度急剧升高，如何有效的将热量散失出去，快速降低功率器件的温度是保证功率器件正常工作的关键所在。传统的散热材料已经无法满足这一迫切需求，石墨烯的出现给散热解决方案带来了新的机遇，单层石墨烯的热导率高达5300W/(m·K)，是目前热导率最高的二维材料。虽然单层石墨烯具有如此优异的导热性能，然而微观尺度(厚度只有0.34nm，二维尺寸在微米级)的石墨烯很难操纵，因此如此优异的热学性能也就很难在实际应用中大显身手。将纳观尺度的石墨烯通过适当的方法组装成宏观材料是石墨烯走向应用的有效突破口。近年来，以石墨烯为基元组装而成的石墨烯散热膜取得了突破性进展，室温下面内热导率已经达到2000W/(m·K)以上，可以将低能量密度热源的热量很好散失出去，但是5～10微米的厚度无法满足大通量的导热需求。要想突破热通量的难题就必须增加散热材料的厚度，甚至达到厘米级。本论文提出了一种新的成型工艺，以石墨烯作为基本单元，分别以零维的银颗粒和一维的铜纳米线为填充剂，制备出了厚度可以达到毫米或者厘米级的石墨烯纳米复合材料块体且仍然保持了高热导率，不同于石墨烯散热膜，该复合材料块体的热导率不依赖于厚度。因此本文制备的石墨烯复合材料块体在电子器件领域有广阔的应用前景。
　　本文将一维铜纳米线加入石墨烯基体中，采用液相混合和速冷的工艺制备了铜纳米线/石墨烯复合海绵，将海绵热压得到铜纳米线/石墨烯复合材料块体。铜纳米线作为填充剂以保证复合材料的致密性。该三维复合材料的密度可以达到理论密度的90%。XRD表明石墨烯和铜纳米线的结晶性非常好。Raman光谱说明石墨烯保持了原有的结构特性，同时石墨烯沿面内方向高度定向排布。该三维复合材料弯曲强度高达80MPa，电导率随着铜纳米线的增加而增大，最高可以达到3.9×105S/m，热导率高达688W/(m·K)，远高于目前报道的其他三维石墨烯材料的热导率(80W/m·K)。
　　以银颗粒作为粘接剂和填充剂，以石墨烯作为基体，采用相同的工艺路线制备了三维银颗粒/石墨烯纳米复合材料。银颗粒的粘接和填充作用使复合材料的密度可以达到理论密度的90%以上。XRD分析表明石墨烯和银结晶性非常好，石墨烯依然保持了少层结构特点。同时，石墨烯在复合材料中沿面内方向高度定向排列。热分析表明三维纳米复合材料具有非常优异的热稳定性，弯曲强度为46MPa左右。电导率随银含量增加而增加，当银含量20%时，电导率为2.1×105S/m，银/石墨烯复合材料室温面内热导率高达820W/(m·K)，比目前报道的三维石墨烯散热材料的热导率高一个数量级(80W/m·K)。这主要归因于石墨烯的高定向排布、高结晶性和复合材料高致密性。

目录

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究的目的和意义

1.3 传热基本理论

1.4 石墨烯散热膜研究现状

1.5 三维石墨烯散热材料研究现状

1.6 石墨烯散热材料研究现状小结

1.7 论文主要研究内容

第2章 材料及实验方法

2.1 引言

2.2 实验材料及仪器

2.3 铜纳米线的制备

2.4 三维铜纳米线/石墨烯纳米复合材料的制备方法

2.5 三维银颗粒/石墨烯纳米复合材料的制备方法

2.6 石墨烯基纳米复合材料的表征

第3章 铜纳米线/石墨烯复合材料的结构和性能研究

3.1 引言

3.2 石墨烯表征

3.3 铜纳米线的微观形貌

3.4 铜纳米线/石墨烯复合材料微观组织及化学状态

3.5 铜纳米线/石墨烯复合材料热稳定性

3.6 铜纳米线/石墨烯复合材料电学性能

3.7 铜纳米线/石墨烯复合材料力学性能

3.8 铜纳米线/石墨烯复合材料导热性能

3.9 本章小结

第4章 银颗粒/石墨烯复合材料的制备及性能研究

4.1 引言

4.2 银颗粒/石墨烯复合材料的微观组织和化学状态

4.3 银颗粒/石墨烯复合材料热稳定性

4.4 银颗粒/石墨烯复合材料力学性能

4.5 银颗粒/石墨烯复合材料电学性能

4.6 银颗粒/石墨烯复合材料导热性能

4.8 导热机理分析

4.9 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢