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以天然鳞片石墨为原材料,以高氯酸(72wt%)或硝酸(65wt%)为插层剂,采用化学浸泡方法制备高导热柔性石墨的前躯体-石墨层间化合物(GICs)。利用GICs的热膨化性能,热处理GICs,获得外观像蠕虫的具有蜂窝状结构的膨胀石墨,也被叫做石墨蠕虫。不用任何粘结剂,压缩石墨蠕虫制备厚度约0.10-0.20mm的柔性石墨片。GICs的膨化能力,通过中间产物石墨蠕虫的膨胀体积(ml/g)来表征。开发了三种制备高氯酸基柔性石墨的体系:(1)天然鳞片石墨-高氯酸-硝酸;(2)天然鳞片石墨-高氯酸;(3)直接热处理天然鳞片石墨/高氯酸混合物。利用万能材料试验机、电阻仪、激光热导仪表征了柔性石墨的力学、电、热传导性能。利用X-射线衍射仪(XRD)、拉曼(Raman)光谱仪、傅里叶转换红外光谱仪(FT-IR)、N2吸附仪、真密度仪、扫描电镜(SEM)测试了材料的微观结构和形貌特征。实验结果表明:
1、柔性石墨的面向热导率同所用石墨蠕虫的膨胀体积、高温后处理、成型压力、天然鳞片石墨颗粒尺寸密切相关。大颗粒鳞片石墨、低膨胀体积的石墨蠕虫易制备高导热柔性石墨。对石墨蠕虫的高温后处理可以明显地提高柔性石墨的热扩散率,提高幅度约30-50%。柔性石墨的面向热导率随其密度的增加、厚度的减小而增加,而厚度方向的热导率随密度的增加而减小。柔性石墨的面向热导率随电阻率的减小而增大,它们之间的数学关系为:λ(W/mK)=586/[0.293ρ(μΩm)+0.06)]。
2、从三种高氯酸基插层体系出发制备的柔性石墨的最大热导率分别为:(1)620W/mK,(2)462W/mK和(3)360W/K。
3、密度为1.7g/cm3的硝酸基柔性石墨的热扩散率为430mm2/s,面向热导率为620W/mK。其面向热扩散率是四种方法所制的同密度试样中最高的。
4、高温后处理的石墨蠕虫压制的柔性石墨中的矿物质含量、一些有机官能团明显降低,并且碳网层面的有序性得到进一步的改善。
5、室温下柔性石墨的导热主要遵循德拜模型,而声子平均自由程对热导率的贡献最大。柔性石墨中的热阻可以概括为以下四个方面:一是在插层反应过程中没有被插层的石墨微晶体本身的热阻(R1);二是一部分碳层被插层并在其后的膨化时发生了层离的这部分石墨微晶体的热阻(R2);三是单个石墨蠕虫中微晶体之间的热阻(R3);四是石墨蠕虫之间的微晶接触热阻(R4),其中大小顺序为:R4>R3>R2>R1,提高密度最有利于降低R4,当然对R3、R2也有不同程度的降低,但对R1没有影响。