纳米石墨片复合膜的制备及其导热性能研究

摘要

近年来，随着智能电子产品和穿戴电子产品的快速发展，电子器件日益集成化、微型化和多功能化，导致了电子器件的发热量和功率密度大幅度地提升。这对电子产品的热管理，尤其是导热材料，提出了苛刻的要求。纳米石墨片是一种类石墨烯材料，制备成本较低，且具有很高的热导率。因此，研究以纳米石墨片为原料制备导热石墨膜并应用于电子产品的散热是非常有价值的。本论文以纳米石墨片为主要原料，采用沉积和涂膜方法，制备了GNP/CMC（纳米石墨片/羧甲基纤维素钠）和GNP/rGO（纳米石墨片/还原氧化石墨烯）复合石墨膜，系统研究了相关工艺参数对拉伸强度、导热、导电性能的影响，并实际测试了复合石墨膜的散热效果。
　　采用超声剥离的方法制备出了纳米石墨片并用其蒸发沉积出了GNP/CMC复合石墨膜，并探究了辊压和热处理工艺及CMC含量对复合石墨膜力学及导电导热性能的影响。纳米石墨片为表面光滑的片层结构，没有严重的团聚，厚度大约为50nm，片径大约在2-10μm之间，并且边缘地带略有蜷曲和翘起。当GNP:CMC=30:7时复合膜的综合性能优异，密度为1.11g/cm3，抗拉强度为14.2MPa，电阻率为3.89mΩ·cm，方阻为0.87Ω/□，热扩散系数为115.7mm2/s，热导率为72.1W/(m·K)。采用模拟芯片对复合石墨膜的散热性能进行实验测试，结果表明：当功率密度为2W/cm2时GNP:CMC=30:3的复合膜可使芯片温度下降43.7℃。
　　采用改进的Hummers方法制备出了氧化石墨（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）并用其刷涂出了GNP/rGO复合石墨膜，并探究了化学还原和热处理工艺及GO含量对复合石墨膜力学及导电导热性能的影响。rGO也呈现片层结构，厚度大约为25nm，片径大约在2-5μm之间，并且存在大量的褶皱和蜷曲。当GNP:rGO=1:3时复合膜的综合性能优异，经950℃热处理后抗拉强度为16.9MPa，电阻率为4.14mΩ·cm，方阻为1.48Ω/□，热扩散系数为1080.6mm2/s，热导率为323.8W/(m·K)。采用模拟芯片对复合石墨膜的散热性能进行实验测试，当功率密度为2W/cm2时GNP:rGO=1:3的复合膜可使芯片温度下降75℃，表明复合石墨膜的实际散温效果显著。最后，将GNP/rGO复合膜与目前市面上使用较多的膨胀石墨纸（EGP）和热解石墨膜（PGS）进行比较，结果发现：当功率密度为2W/cm2时，GNP:rGO=1:3的复合膜（降温75℃）的散热效果优于EGP（降温73℃）低于PGS（降温82℃），证明了复合石墨膜显著的散热效果和潜在的应用价值。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的意义和目的

1.2石墨类导热材料简介

1.2.1 高导热掺杂石墨

1.2.2 高导热碳泡沫

1.2.3 金刚石碳膜

1.2.4 高导热碳纤维和炭/炭复合材料

1.2.5 膨胀石墨纸

1.2.6 热解石墨膜

1.3石墨材料导热机理

1.4复合石墨膜的研究现状

1.4.1 国外研究现状

1.4.2 国内研究现状

1.4.3 国内外文献综述的简析

1.5主要研究内容

第2章 实验材料和测试方法

2.1 主要原料及化学试剂

2.2主要实验仪器设备

2.3材料表征测试方法

2.3.1 X射线衍射分析仪

2.3.2拉曼光谱分析仪

2.3.3扫描电子显微镜

2.4 材料的性能测试

2.4.1 电阻率和方阻测量

2.4.2 热扩散系数和热导率测量

2.4.3 抗拉强度测量

第3章 GNP/CMC复合石墨膜导热性能研究

3.1纳米石墨片的制备及表征

3.2 GNP/CMC复合石墨膜的制备及表征

3.2.1 GNP/CMC复合石墨膜的制备

3.2.2 GNP/CMC复合石墨膜的表征

3.3 GNP/CMC复合石墨膜的性能测试

3.3.1密度及失重

3.3.2机械性能（抗拉强度、应力应变）

3.3.3导电性能（电阻率、方阻）

3.3.4导热性能（热扩散系数、热导率）

3.4 GNP/CMC复合石墨膜的实际散热应用

3.4.1散热实验测试装置及模拟芯片温度特性曲线

3.4.2 GNP/CMC复合石墨膜的实际散热效果

3.5本章小结

第4章 GNP/rGO复合石墨膜导热性能研究

4.1 GO及rGO的制备和表征

4.2 GNP/rGO复合石墨膜的制备及表征

4.2.1 GNP/rGO复合石墨膜的制备

4.2.2 GNP/rGO复合石墨膜的表征

4.3 GNP/rGO复合石墨膜的性能测试

4.3.1密度

4.3.2机械性能（抗拉强度、应力应变）

4.3.3导电性能（电阻率、方阻）

4.3.4导热性能（热扩散系数、热导率）

4.4 GNP/rGO复合石墨膜的实际散热应用

4.5本章小结

结论

参考文献

声明

致谢