石墨烯聚合物复合材料,一种热管理材料的新方向
来源:morion日期:2021-03-04 浏览:241次

随着电子器件逐渐向微型化和集成化方向发展,大功率集成电路的散热问题已成为影响电子器件的性能稳定性、运行可靠性和寿命耐久性的关键性因素,迫切需要使用具有更佳导热性能的复合材料来作为电子封装材料、主板、结构件等。聚合物具有质轻价廉和易加工成型等优点,而常见聚合物基体的本征热导率较低,并且不具备单独用作导热材料的能力,因此,如何有效提高导热复合材料中聚合物基体的导热性能成为其作为电子器件热管理材料亟待解决的关键技术之一。



石墨烯二维结构


石墨烯作为一种二维碳纳米材料,具有较高的电子迁移率 (15000~52700 cm2 /(V·s))和热导率(3080~5150 W/(m·K))[1-2],其可在聚合物基体中为声子的热传递构建极佳的导热通道,从而有效地改善聚合物基石墨烯复合材料的导热性能。例如Shi等[3] 在外加磁场的诱导作用下,制备出可在取向方向上形成高效导热路径的Fe3O4@磁化石墨烯/硅橡胶复合材料。当磁化石墨烯(MG)的含量为5.0 wt%时,该材料的平面热导率达到0.6 W/(m·K)。若石墨烯未经表面功能化,则复合材料整体热导率的提高幅度受限,由此可见,石墨烯表面功能化对于复合材料导热性能的提高具有重大作用。


石墨烯和聚合物基体间的高界面热阻和弱界面作用是影响复合材料体系热传递的主要因素,通过对石墨烯进行表面功能化是解决上述问题的一种非常有效的技术手段[4]。石墨烯表面功能化可分为非共价键功能化和共价键功能化[5]。Zong等[6]通过在氨基丙基异丁烯多面体低聚倍半硅氧烷(ApPoss)和氧化石墨烯之间形成酰胺基团成功构建出 ApPoss-石墨烯/环氧树脂复合材料。实验表明,ApPoss与环氧树脂基体之间的相容性好并且声子转移散射小;当石墨烯含量为0.3 wt%时,复合材料热导率为0.3 W/(m·K)。接枝在氧化石墨烯上的ApPoss有效地阻碍了氧化石墨烯在聚合物基体中的聚集,同时作为连接氧化石墨烯和环氧树脂链段的表面功能化活性位点,使材料的导热性能显著提高。


Cao等[7]采用原位生长法制备了金刚石/石墨烯/铜复合材料,研究发现,石墨烯在铜颗粒表面的原位生长促使了两者之间形成牢固的共价键合,改善了金刚石和铜界面的润湿性,从而使得界面热导率提高了3.7倍,复合材料的热导率较没有石墨烯夹层提高了61.0%(572.9 W/(m·K)),该研究为金刚石/铜复合材料的界面功能化提供了一种新的途径。


Dong等[8]采用一锅法对丁苯橡胶(SBR)进行改性,制备出SBR/M-G纳米复合材料,通过2-巯基苯并噻唑(M)对氧化石墨烯进行同步化学还原和表面修饰,使得rGO与M之间形成化学共价接枝,不仅减少了石墨烯的不可逆团聚,而且改善了两相界面相互作用。结果表明,当填料用量为8 phr(每百份橡胶含量)时,SBR/M-G复合材料的热导率较纯SBR提高了51.0%。


Fang等[9]利用π-π相互作用将聚多巴胺(PDA)包覆在三维石墨烯泡沫(GF)表面,促使PDA的官能团与3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTS)进行化学反应。然后,将改性后的GF进一步压缩(c-GF) 以提高密度,并用聚二甲基硅氧烷(PDMS)浸润,最终制备出c-GF/PDA/APTS/PDMS复合材料。当GF含量为11.6 wt%时,该复合材料面内热导率为28.8 W/(m·K),面外热导率为1.6 W/(m·K),优异的导热性能使得该材料具有巨大的工业化应用潜力。


同时墨睿科技团队研发出一种石墨烯改性导热PC(聚碳酸酯)母粒。该产品是基于关键制备技术来精准调控氧化石墨烯的片径、层数和活性官能团等特性指标,并巧妙利用其表面丰富的活性官能团与机械法石墨烯纳米片进行改性结合,最后采用分散雾化技术进行粉体之间的均匀包覆,从而形成导热通路,达到1+1>2的导热散热作用。这样不仅保证了PC原有力学性能,还将其导热系数由0.2W/(m·K)提高至1.0W/(m·K),面内导热系数达到了3.0 W/(m·K) ,另外通过热模拟测试验证发现,相较于市面上已售的导热PC,同等条件下本产品可将热源热量在材料内实现快速均匀传导,防止其积聚造成的局部温度过高,热源温度得以大幅降低。本产品适用于注塑、热压等成型工艺,用于制造各种电子产品器件外壳等结构件,来解决应用当中遇到的热管理问题,同时,可满足产品对便携性和轻量化的需求,减少其它功能填料的用量。



石墨烯改性导热PC母粒



导热PC材料热模拟测试结果


综上所述,石墨烯表面功能化可以有效改善界面相互作用,降低其与聚合物基体间的界面热阻,对于提高复合材料的热导率具有十分积极的作用。


[1] Ghosh S., Calizo I., Teweldebrhan D., et al. Extremely high thermal conductivity of graphene: prospects for thermal management applications in nanoelectronic circuits[J].Applied Physics Letters,2008,92(15):1-17.


[2] Wang C.,Liu X.,Wang Z.,et al.Electronic,optical property and carrier mobility of graphene, black phosphorus, and molybdenum disulfide based on the first principles[J]. Chinese Physics B, 2018,27(11):1-12.


[3] Shi Y.,Ma W.,Wu L.,et al.Magnetically aligning multilayer graphene to enhance thermal conductivity of silicone rubber composites[J].Journal of Applied Polymer Science,2019,136(37):1-8.


[4] Du W.,Zhang Z., Su H.,et al.Urethane-functionalized graphene oxide for improving compatibility and thermal conductivity of waterborne polyurethane composites[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research,2018,57(21):7146-7155.


[5] Li H.,Gao Y.,Zhu P.,et al.Cationic polyelectrolyte bridged boron nitride microplatelet based poly(vinyl alcohol) composite: a novel method toward high thermal conductivity[J].Advanced Materials Interfaces,2019,6(11).


[6] Zong P., Fu J.,Chen L., et al.Effect of aminopropylisobutyl polyhedral oligomeric silsesquioxane functionalized graphene on the thermal conductivity and electrical insulation properties of epoxy composites[J].Rsc Advances,2016,6(13):10498-10506.


[7] Cao H., Tan Z., Lu M., et al. Graphene interlayer for enhanced interface thermal conductance in metal matrix composites: an approach beyond surface metallization and matrix alloying[J].


[8] Dong H., Jia Z.,Chen Y.,et al.One-pot method to reduce and functionalize graphene oxide via vulcanization accelerator for robust elastomer composites with high thermal conductivity[J].Composites Science And Technology,2018,164:267-273.


[9] Fang H.,Zhao Y.,Zhang Y.,et al.Three-dimensional graphene foam-filled elastomer composites with high thermal and mechanical properties[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2017, 9 (31):26447-26459.


声明:本文所引用的部分图片、文字等版权归原作者所有。本文只提供参考并不构成任何建议。如涉及作品内容、版权和其它问题,请在30日内与我们联系,我们将在第一时间删除内容!