三维骨架石墨烯/高聚物复合材料的力学和热学性能研究

By the combination of experimental tests and theroritical analysis, both mechanical and thermal properties of three dimensional graphene/polymer composites will be investigated. Firstly, three dimensional graphenes are fabricated by chemical vapor deposition method, their microstructures are characterized. Then, by using the dripping method, the three dimensional graphene/polymer composites will be prepared and the possible voids, graphene structure integrality and interface bonding between graphene and polymer matrix will be examined. The tension and compression properties, thermal conductivity as well as the effect of compression on the thermal conductivity will be studied experimentally. The mechanisms of high thermal conductivity of such composites will be revealed. The component assembly model and micromechanic method will be used to predict the equivalent elastic moduli and thermal conductivity. Based on the theoretical and experimental results, a series of processing and properties characterization methods for three dimentional graphene/polymer composites will be established, which will provide theoretical and experimental foundation in engineering applications.

通过实验测试与理论分析相结合的方法，开展三维骨架石墨烯/高聚物复合材料的力学性能和热学性能的研究。首先采用化学气相沉积法制备三维骨架石墨烯，表征石墨烯的微观结构；然后采用滴覆法制备三维骨架石墨烯/高聚物复合材料，并测定其可能的空隙缺陷、石墨烯骨架的完整性，以及石墨烯与高聚物的界面粘接状态等。实验测定复合材料的拉伸与压缩性能、热导率，以及压缩变形对于复合材料热导率的影响规律，进而揭示复合材料高热导率的机理。采用构元组集模型和细观力学方法，建立预测复合材料等效弹性模量和热导率的模型。基于理论和实验研究的结果，建立三维骨架石墨烯/高聚物复合材料制备与性能表征的一套实验和理论方法，为其工程应用提供理论和实验依据。

电子器件的微型化和高功率化带来温度的显著升高，使得热管理成为决定其寿命和功率的关键因素。由于石墨烯具有极高的热导率，石墨烯填充高聚物复合材料可能成为一类应用于电子器件散热的高热导率材料，而对其热学性能的研究几乎是空白。因此，本项目具有重要的工程和学术意义。.以三维石墨烯泡沫(GF)填充高聚物复合材料为对象，研究其制备工艺、热学和力学性能。首先利用CVD方法制备出GF，然后将聚二甲基硅氧烷（PDMS）注入GF获得复合材料。0.7wt%GF/PDMS复合材料热导率为0.56 Wm-1K-1，比纯PDMS提高了180%。为了进一步提升热导率，分别添加了第二相粒子炭黑（CB）、碳纤维（CF）和多层石墨烯片（MGF）。结果表明，8wt% CB/GF/PDMS、10wt% CF/GF/PDMS和6wt%MGF/GF/PDMS复合材料的热导率较纯PDMS分别提高了222%、162%和440%。有限元计算表明，复合材料的热导率随石墨烯泡沫骨架的直径增大和臂长缩短而提高，而且沿热流方向排列的骨架传热最快。通过选取十四面体代表单元和Kanaun模型，修正和建立了泡沫材料微观结构的几何描述，然后利用ANSYS计算了泡沫材料的孔隙率和复合材料的热导率，数值结果与实验值符合很好。.为使石墨烯片沿热流方向取向，采取卷膜技术制备了垂直取向氧化还原石墨烯膜（TR-VArGO）/环氧树脂复合材料。在TR-VArGO含量为15.79wt%时，复合材料的面外热导率为2.65 Wm-1K-1。进一步利用商业高热导率石墨膜，制备出92.5wt%石墨膜/PDMS复合材料，热导率高达612 Wm-1K-1，压缩强度和模量分别是纯PDMS的120倍和194倍。为了检验应用的可行性，将高热导率复合材料粘贴在LED灯的基板上。结果表明，与不加复合材料和施加铜板相比，LED灯温度分别下降了11度和6度。这一结果表明，此类复合材料能够有效地降低了LED灯温度，将可能应用于LED灯和其它电子器件的热管理。.在完成本课题内容的基础上，研制了另一类具有非常高热导率和良好力学性能的垂直取向石墨（石墨烯）膜/高聚物复合材料，尝试了工程应用。整个课题的工作具有系统性，通过实验、数值模拟、理论分析和应用实践，建立了高热导率复合材料的制备与性能表征的一套方法，为工程应用提供了实验和理论依据。