论文部分内容阅读
微电子器件、航空航天和高能武器等领域对热管理材料的导热性能提出了更高要求。由sp~2杂化碳原子构成的碳材料单元如碳纳米管(CNT)、石墨烯等由于其规整的碳六元环结构而具有优异的导热性能。然而,由石墨烯微片堆叠而成的石墨烯薄膜面内方向具有较高导热性能,但是其厚度方向导热性能很低。CNT与石墨烯有相似的晶胞结构且CNT轴向热导率高,本文提出采用原位生长CNT,以增强石墨烯薄膜厚度方向导热性能。为此,首先探索了基于氧化石墨烯(GO)的高导热石墨烯薄膜的制备工艺,以期获得高品质石墨烯薄膜;分别通过溶液混合法和原位生长方式制备了CNT/石墨烯复合薄膜,研究了薄膜微观结构与导热性能之间的关系;采用分子动力学模拟方法研究了CNT/石墨烯复合薄膜导热机理;最后测试了原位生长CNT/石墨烯薄膜在LED灯芯片散热上的应用效果。研究内容主要包括:(1)采用传统流延工艺制备了GO薄膜,发现GO浓度、干燥成型温度对流延法制备GO薄膜品质的影响较大。热还原过程中,在150～220℃温度范围内,小分子的快速逸出是造成薄膜形成蓬松结构的主要原因。本文提出了预还原策略,分别比较了分步热还原、HI酸还原和水合肼还原方法对GO的预还原效果,表征了还原氧化石墨烯(RGO)薄膜微观结构和导热性能。分步热还原的RGO经石墨化和压缩处理后,薄膜致密、柔性、热导率高,面内热导率达到928 W/m K。(2)采用溶液混合方法制备了分散均匀的CNT/GO混合薄膜,通过分步热还原和石墨化处理,得到晶体结构良好的柔性CNT/RGO混合薄膜。导热测试结果表明,物理共混方式制备的复合薄膜中,CNT没有增强石墨烯片层间热传导。由于CNT的掺入,增加了薄膜内的接触界面,扩大了石墨烯层间距,增大了内部热阻,从而导致薄膜面内与厚度方向热导率均下降。(3)采用浸渍分解法在石墨烯片层间引入碳源和催化剂,实现在石墨烯片层间原位催化生长CNT。将催化剂前驱体二茂铁(Fc)、高分子碳源PMMA与GO混合,加热裂解,使催化剂活化,在石墨烯片层间催化生长CNT。研究了CNT生长机理及其微观结构,表征了CNT与石墨烯的连接结构。通过调控Fc和PMMA用量实现了复合薄膜厚度方向热导率的优化,同时保留了复合薄膜面内高导热性能。GO、Fc和PMMA掺入比为1:0.001:0.001时,制备的CNT/RGO交联复合薄膜的面内热导率达933 W/mK,厚度方向热导率达5.41 W/mK;与RGO薄膜相比,原位生长CNT-RGO复合薄膜的厚度方向热导率提升了32%。(4)为进一步探索物理共混和原位生长CNT/石墨烯复合薄膜导热机理,本文分别构建了以分子间作用力结合的CNT/石墨烯混合模型和以共价键结合的原位生长CNT/石墨烯交联复合模型,模拟了热量在复合薄膜中传递过程。模拟结果表明,物理共混方式加入的CNT不能有效增强石墨烯片层间的热传导;而原位生长的CNT使得石墨烯片层间热阻降低了9%,显著提高了石墨烯层间导热性能。研究还表明,桥联CNT数量增加或直径增大,都可增强厚度方向热传导,但也造成更多面内声子散射,降低了复合薄膜的面内导热性能。(5)本文考察了原位生长CNT/RGO交联复合薄膜在LED灯芯片散热领域的应用。将原位生长CNT/RGO复合薄膜置于散热器与主板之间,当复合薄膜的厚度为20?m时,功率为3 W的芯片稳态工作温度下降了6.7℃,降幅达11%。