高导热含石墨烯纳米片聚甲基丙烯酸甲酯复合材料.doc

中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123012
高导热含石墨烯纳米片聚甲基丙烯酸甲酯复合材料
于伟1,周晓锋2,3,谢华清1,*陈立飞1
(1上海第二工业大学城市建设与环境工程学院,上海 201209)
(2东南大学能源与环境学院,江苏南京 210096)
(3盐城工学院基础部,江苏盐城 224003)
(通讯作者:谢华清,Tel:021-50217731, Email:******@eed.)
摘要:石墨烯是一类具有超高热导率的碳质新材料,引起了材料学和热物理学界的广泛关注。本文采用了超声辅助溶液共混的方法制备了均一的含石墨烯纳米片聚甲基丙烯酸甲酯复合材料,并测量了其热物性参数。研究结果表明,石墨烯纳米片可大幅度提高高分子基体材料的导热系数。在石墨烯纳米片体积含量为1%时,%,体积含量为20%时,·k,。复合材料的热导率随着温度的升高而上升,在70℃时,·k,展示了石墨烯纳米片在热管理领域的巨大的应用潜力。
关键词:石墨烯,聚甲基丙烯酸甲酯,复合材料,热导率
0 前言
导热高分子复合材料具有价格低廉、易加工成型、耐腐蚀等优点,在换热工程、电磁屏蔽、高频微电子元器件散热、耐磨散热材料等领域具有广泛的应用前景。具有优异传热特性的高分子复合材料依赖于所添加纳米材料的导热性能。近年来,以石墨烯为代表的碳质新材料引起了人们的广泛关注。石墨烯是拥有sp2杂化轨道的二维碳原子晶体,具有优异的电学性能,室温下电子迁移率极高,比表面积大,且杨氏模量和断裂强度也可与碳纳米管相媲美,而且还具有一些独特的性能,如量子霍尔效应、量子隧穿效应等,石墨烯的最初发现者也因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
2008年,Balandin等[1]采用石墨微机械剥离的方法制备了单层石墨烯,并首先报导了单层石墨烯的导热系数,其值高达5000 W/,远高于碳纳米管和金刚石的导热系数。石墨烯基热功能材料的研究也获得了广泛的关注。由于石墨烯的二维平面结构,石墨烯是一种非常有效的强化传热填料。Yu等[2]将石墨烯纳米片(石墨烯的厚度4nm)添加至环氧树脂聚合物中,制备了热界面材料,发现在体积含量为25%时, W/(m·K),超过了传统填料在体积含量为70%时的热导率。Veca等[3]利用碳纳米片(厚度在4nm左右)作为导热填料,发现碳纳米片是比碳纳米管(单壁或多壁)更有效的填料,且添加该纳米片35%(体积分数)时,该环氧树脂复合物仍具有非常好的柔性。我们课题组
首次报道了含氧化石墨烯纳米流体的热物性参数[4],结果表明,当体积含量为5%时,导热系数比基液(乙二醇)提高了61%。含5%石墨烯纳米流体则表现出了更优异的热物理学特性[5],导热系数比基液提高了80%。Xie等[6]的理论预测表明,在提高复合材料的热导率方面,2-D石墨烯比1-D碳纳米管更有效,并且逾渗阈值更低。本文首先采用液相插层-高温剥离-超声辅助液相剥离法制备了石墨烯纳米片,继而采用超声辅助溶液共混的方法制备出含不同比例石墨烯纳米片的聚合复合材料,测量了不同温度下复合材料的热导率,研究了添加石墨烯纳米片的体积分数对复合体系热导率的增强影响。
1 实验部分