二氧化硅修饰石墨烯及其绝缘导热环氧树脂纳米复合材料

摘要

随着电子器件的不断微型化以及电气设备输出功率的不断增加，如何获得高效的热管理，是电子封装材料亟需解决的一个难题。高分子材料由于具有低成本、电绝缘性以及良好的可加工性，备受关注。聚合物本身的热导率非常低，通过添加具有高导热性的填料，聚合物的热导率可以提高。但由于填料与基体之间界面热阻的存在，特别是对于添加纳米级填料的复合材料，复合材料的导热性能并不理想。因此，改善界面结构，对于提高纳米复合材料的导热性能来说，尤其重要。石墨烯具有优异的导热性能，但同时也具有很高的电导率。本文利用电绝缘层包覆在石墨烯表面，降低石墨烯片层电导率的同时，还能够提高石墨烯与聚合物基体界面之间的相容性，促进界面热量的传递。由此得到的兼具优异的导热性能和电绝缘性的纳米复合材料是开发多功能集成结构电子系统的关键材料，已被应用于热控制和电子封装等领域。主要工作如下: 1、在不添加传统还原剂的条件下，采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)对氧化石墨烯（graphene oxide，GO）进行还原及功能化修饰，得到改性的石墨烯(A-graphene)。多种表征结果显示，APTES的氨基与GO表面的环氧基团发生了亲核取代反应，从而实现了对GO的还原且修饰作用。研究不同温度不同反应时间条件下APTES对GO的还原和修饰的效果，得出APTES在75℃反应12h后，对GO的还原及修饰最为完全。 2、分别采用正硅酸乙酯(TEOS)和APTES作为前驱体，通过溶胶凝胶法，在A-graphene表面包覆上SiO2（产物记作A-graphene-SiO2）或SiOx(产物记作A-graphene-SiOx)。研究不同结构有机硅氧烷的水解-缩聚产物的形态，分析有机硅氧烷中烷基链对溶胶凝胶过程的影响。通过SEM和TEM能够观察到，TEOS的水解-缩聚产物为粒径10～20 nm的SiO2纳米颗粒，它紧密的排列，包覆在A-graphene表面。而APTES中由于烷基链的存在，只能得到Si-O-Si网络的笼状结构产物。 3、将A-graphene、A-graphene-SiO2和A-graphene-S iOx分别与环氧树脂(EP)复合，研究A-graphene-SiO2表面SiO2层对复合材料导热性能和电绝缘性的影响。当添加8％（质量分数）的A-graphene-SiO2，复合材料的热导率相比于纯EP提高了72％，并远远高于同含量下其它复合材料的热导率。同时复合材料还保持了良好的电绝缘性。环氧树脂纳米复合材料的动态力学性能充分地说明了A-graphene-SiO2/EP纳米复合材料中填料与基体界面间相互作用的增强。因而我们可以得出SiO2无机纳米层不仅促进了A-graphene-SiO2与EP基体之间界面的相互作用，还缓解了填料与基体间的模量不匹配，从而促进了界面热量的传递。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 石墨烯

1．2．1 石墨烯的结构及性能

1．2．2 石墨烯的制备

1．2．3 石墨烯的改性

1．3 石墨烯／聚合物纳米复合材料

1．3．1 石墨烯／聚合物纳米复合材料的制备

1．3．2 石墨烯／聚合物纳米复合材料的性能

1．3．3 石墨烯／聚合物纳米复合材料的应用

1．4 绝缘导热复合材料

1．4．1 填料对复合材料导热性能的影响

1．4．2 聚合物基复合材料的导热机理

1．4．3 石墨烯／聚合物绝缘导热纳米复合材料的研究现状

1．5 本课题的立题依据及研究内容

1．5．1 立题依据

1．5．2 研究内容

第二章 氧化石墨烯的还原且修饰

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验所用原料、仪器和测试设备

2．2．2 制备氧化石墨

2．2．3 化学还原法制备石墨烯

2．2．4 APTES对氧化石墨烯的还原且修饰

2．3 结果与讨论

2．3．1 氧化石墨烯的还原且修饰

2．3．2 APTES对氧化石墨烯的还原机理

2．4 本章小结

第三章 二氧化硅对改性石墨烯的包覆

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验所用原料、仪器和测试设备

3．2．2 SiO2包覆改性石墨烯

3．2．3 SiOx包覆改性石墨烯

3．3 结果与讨论

3．3．1 氧化物包覆改性石墨烯的形态特征

3．3．2 改性石墨烯表面氧化物的含量

3．4 本章小结

第四章 绝缘导热纳米复合材料的制备

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验所用原料、仪器和测试设备

4．2．2 环氧树脂纳米复合材料的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 环氧树脂复合材料的导热绝缘性能

4．3．2 界面性质对复合材料导热性能的影响

4．4 本章小结

第五章 结论部分

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师介绍