碳基复合材料导热性能的应用研究 摘要
近几年来,超薄、轻量、多功能的智能电子产品引起了人们的广泛兴趣。由于电子器件的不断小型化,智能电子设备的散热对于保持设计的性能和寿命至关重要。智能电子设备工作时会产生多余的热量。如果智能电子设备产生的热量不能迅速有效地消散,那么这些设备的性能和可靠性就会降低。例如,在操作温度(10-15 oC)的一个小幅度的增加可能导致在电子产品的寿命和可靠性的减少。高导热材料能有效地降低智能电子器件的局部热点温度,使电子器件的温度保持在较低的水平。聚合物由于其耐腐蚀、重量轻、易加工、成本低等优点,在电子领域得到了广泛的应用。然而,导热性能限制了其在电子产品中的应用,其中大部分导热系数是在0.5 W·m-1·k-1。由于导热系数低,聚合物不能有效地传导电子产生的热量。因此,提高聚合物的导热系数具有重要意义和紧迫性。使用各种方法来提高聚合物的导热系数,其中最有效和可行的方法之一是在聚合物中加入高导热填料以形成有效的导热网络。各种高导热填料已被添加到聚合物,用来提高聚合物的导热性能。高导热填料可分为金属、陶瓷、碳材料等,最近,碳纳米管(CNT)和石墨烯由于其优越的导热性能,在提高聚合物导热系数方面引起了相当大的兴趣,碳纳米管的导热系数可达3000 W·m-1·k-1、石墨烯的导热系数可达~ 5000 W·m-1·k-1。然而,高导热填料对聚合物导热性能的提高影响有限。填料的种类并不是影响聚合物导热系数的唯一因素。其它问题也对聚合物的导热性能有重要影响,如填料的分散性、聚合物与填料的界面热阻、填料的结构缺陷等。聚合物中填料的均匀分散可以显著提高聚合物复合材料的导热性能。为了充分利用高导热填料的潜能,在聚合物基体中改善填料的分散性已经做了许多尝试。碳纳米管、石墨烯等高导热填料可提高聚合物的导热性能,但由于填料在聚合物中的团聚严重影响了复合材料导热性能的提高。利用不同填料的协同作用,可抑制填料在聚合物中的团聚。同时,复合填料可在复合材料中形成完整的导热网络,从而显著提高复合材料的导热性能。本文首先在环氧树脂中添加多壁碳纳米管、膨胀石墨等填料,以提高环氧树脂的导热性能。实验结果表明, 当多壁碳纳米管添加量为0.5 wt%时,环氧树脂的最佳导热系数为0.3448 W·m-1·k-1,导热性能提高30%,当羧基改性多壁碳纳米管添加量为0.75 wt%时,环氧树脂的最佳导热系数为0.3813 W·m-1·k-1,导热性能提高40%。添加混合填料(多壁碳纳米管/膨胀石墨)后,环氧树脂导热系数可进一步提高到0.4039 W·m-1·k-1。说明在环氧树脂中添加多壁碳纳米管和膨胀石墨混合填料,二者可在环氧树脂中形成有效的导热网络,从而进一步提高聚合物的导热性能。
大面积高质量的石墨烯薄膜可以在泡沫镍上通过CVD生长和转移,制作宏观的导热片,这种方法远远优于那些采用化学处理的石墨烯片。镍泡沫的引入阻止了石墨烯的团聚,并通过金属泡沫镍和三维石墨烯形成了完整的热导网络。在本文中,一个三维网络的泡沫镍使用,并有两个功能:作为一个传热导网络和骨架支持石墨烯。泡沫镍上可以沉积石墨烯,在三维网络中起着重要作用。利用泡沫镍,可以通过CVD产生石墨烯。因此,可以形成真正完整的三维石墨烯网络。因此,使用镍泡沫是解决石墨烯团聚的好方法。在聚合物中加入经过处理的碳材料(酸洗和改性碳材料)等其他方法相比,上述方法可能是解决复合材料应用局限性有效的策略。关键词:聚合物;纳米材料;膨胀石墨;复合材料;导热系数 |
碳基复合材料导热性能的应用研究
更新时间:2019-09-25