界面效应对新型石墨烯填充高聚物复合材料热学/力学性能影响的研究

The miniaturization and high rating power of electronic devices cause remarkable elevation of temperature, so heat management becomes the key factor to control their lifespan and power. Because graphene has extreme thermal conductivity, strength and modulus, the investigation of novel graphene filled polymer composite has both scientific and engineering value. In this proposal, graphene sheets and graphene foam are selected as filler to co-reinforce polymer matrix, their synergic effect will endow the novel composite with excellent mechanical and thermal properties. By the combination of precessing, test, simulation and modelling, both mechanical and thermal properties of novel composite will be investigated. By different modification methods of graphene surface, the composites with different interface properties will be obtained. The composition and microsrructures of graphene surface, composite and interface will be microscopically observed and characterized. The mechanial and thermal properties of composites and interface will be measured. Molecular dynamic simulation will be made to characterize mechanial and thermal properties of inetrface. Theoritical modelling will be undertaken to predict thermoelastic constitutive rule and thermal conductivity. The effect of interface properties on the properties of composites will be emphasized. A series of processing and properties characterization methods for novel graphene/polymer composites with high thermal conductivity will be established, which will provide the theoretical and experimental foundation for engineering applications.

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、强度和模量，因此，研发新型的石墨烯填充高聚物复合材料具有重要的学术意义和工程价值。本课题选取石墨烯片和石墨烯泡沫共同填充高聚物基体，两种填充相的协同作用赋予新型复合材料以优异的热学和力学性能。通过材料制备、实验测试、数值模拟和理论分析相结合的方法，开展新型石墨烯/高聚物复合材料力学和热学性能的研究。通过对石墨烯进行不同的表面处理，获得不同界面性能的复合材料。观测石墨烯表面、复合材料及界面的成分及微观结构，测定复合材料及界面的力学与热学性能。采用分子动力学模拟界面的力学与热学性能，通过理论建模给出复合材料的等效热弹性本构关系和热导率。重点研究界面性能对于石墨烯/高聚物复合材料性能的影响规律，建立新型高热导率复合材料的制备与性能表征的一套方法，为工程应用提供理论和实验依据。

选取高导热石墨烯片、石墨烯泡沫（GF）、BN片、BN泡沫做为填充相，聚丙烯（PP）、尼龙6（PA6）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基体。首先将多巴胺和硅烷处理后的石墨烯接枝聚醚胺，然后采取注塑工艺，实现了多功能复合材料的制备。研究发现，在表面处理后石墨烯含量为28 wt%时，尼龙6基复合材料的热导率达到6.13 Wm-1K-1，是目前文献报道的热导率最高的热塑性复合材料。利用多巴胺与石墨烯的π-π堆叠效应及多巴胺原位自聚合反应，实现了对GF的全面包覆。再引入硅烷偶联剂进行二次修饰。对修饰后的GF进行致密化处理，使得石墨烯的填充量从0.4w%提升至11.62w%。所得复合材料面内和面外热导率分别为28.77 Wm−1K−1和1.62 Wm−1K−1；电阻率和击穿强度分别为9.02±1.07×1013 Ωcm和2.38±0.45KV/mm。使用致密化及表面修饰后的石墨烯（c-MGF），表面修饰的氮化硼（mBN）与PDMS树脂进行填充。当mBN含量为30w%时，mBN/c-MGF/PDMS体系的面外热导率为2.11Wm−1K−1；击穿强度为4.51KV/mm。在分子动力学模拟方面，利用Materials Studio建立单体PDMS初始模型，采用全原子与粗粒化模型结合的方式，将甲基粗粒化为一个粒子，其它原子仍采用全原子模型，从而避免了氢原子的高频振动对小计算步长的需求。同时在LAMMPS的运算模式设置上，将力场公式中不同项分别设置不同的内置循环层，有效利用算力。通过改进后的计算方式可使计算时间步长从0.1fs提高到1.0fs，从而大大节省了运算资源。研究了石墨烯/PDMS界面对复合材料力学性能的影响。在室温下加入拉伸载荷，得到材料的应力应变曲线，进而获得不同石墨烯填充量、不同界面的石墨烯对复合材料的影响。利用热力耦合分子动力学模拟研究了石墨烯/界面对复合材料性能的影响，在不同温度下加入拉伸载荷，得到材料的应力应变曲线，进而获得不同温度下石墨烯/PDMS复合材料的力学性能。