金刚石/石墨烯复合材料电场下定向有序组装与导热性能效应研究

To make diamond-graphene composites with high thermal conductivity and improve the thermal conductivity between layers of graphene, this project tries to align the graphene with the help of electic field and surfactant to improve the thermal conductivity of the composites and add diamond between the layer of graphene to strengthen the thermal conductivity between the layers of graphene. Graphene layers will bend and its thermal conductivity decreased after long time store. This project tries to make graphene by solution method and disperse diamond into the graphene solution once the graphene is prepared, and make diamond-graphene composite with codeposition method. The key points of this project including the research of making graphene by solution method, the mechanismof the suspension of diamond and graphene, the method and regular of aligning graphene on matrix, the effect of diamond size, volume content and partical size proportion aon themal conductivity of the compostes, the mechanism of codeposition of diamond and graphene.

为了制备出高性能的金刚石/石墨烯热传导材料，并解决石墨烯材料的垂直于石墨烯层片方向热传导性能不好的问题，本项目提出石墨烯在复合材料中定向排布以改善石墨烯层片方向热传导，以纳米增强相改善垂直于石墨烯方向热传导。拟借助于电场及表面活性剂的作用使石墨烯定向排布。同时在石墨烯层片之间填充金刚石颗粒，改善石墨烯垂直于平面方向热传导性能不好的现象。石墨烯经长时间存放会卷曲变性，拟采用溶液法制备石墨烯并立即将金刚石分散在石墨烯溶液中，利用共沉积的方式制备金刚石/石墨烯复合材料。本项目重点研究：溶液法制备石墨烯机理；金刚石及石墨烯在不同溶液介质中稳定悬浮的方法机理；石墨烯在基体上定向组装的方法及规律；金刚石粒度、含量及粒度配比对复合材料热传导性能作用规律；石墨烯与金刚石共沉积的方法机理。

石墨烯复合热传导材料中存在石墨烯排布方向不一致，热量传递方向紊乱，整体热导率不高的问题。本项目针对这一现象提出利用场效应定向排布石墨烯的方法，并利用金刚石强化石墨烯垂直层片方向的热导率，以强化复合材料整体的热导率。项目执行期间，我们探索了溶液法高效制备石墨烯的工艺理论，并对所得石墨烯进行了表征；使用直接电沉积和环氧树脂电沉积的方法对石墨烯和金刚石定向排布；石墨烯的表征表明，溶液法制备石墨烯的最佳溶液是酸性溶液，碱性溶液虽然也可以制备石墨烯，但效率低，而且反应程度不易控制；使用硫酸溶液时，最佳浓度为0.5mol/L，此时所制备的石墨烯为5层左右，高浓度硫酸溶液制备的石墨烯层数多且缺陷多；电沉积方法可以有效改善石墨烯的排布状态，在直接电沉积法中，加入硝酸铝可以促进石墨烯在电场下定向移动，进而促进石墨烯的定向排布，溶液中石墨烯浓度的提高有利于电沉积的过程，金刚石的尺寸增大，有利于石墨烯和金刚石共沉积的效果；在直接电沉积法中，金刚石最大的添加浓度为0.7wt.%，过多的金刚石会引起严重的金刚石团聚现象，热导率反而会降低。使用环氧树脂定向排布，电场强度的增加，增加硝酸铝添加剂以及增大金刚石用量都有利于提高复合材料的热导率。该项目解决了石墨烯复合材料整体热导率偏低的问题，提出了一种微纳颗粒微观操控的方法，增强了散热材料的性能，从而让设备达到更高的效率。