基于石墨烯功能化键合传导机制的界面导热材料传热强化

Graphene has many extraordinary properties like strength, specific surface, heat and electricity conductivity due to its typical two-dimensional, atomic-scale, honey-comb lattice in which one atom forms each vertex. The chemical functional groups of oxidized graphene supply the opportunity to form the heat conduction network and realize a new chemical bond-bond heat conduction mechanism when using the chemical functionalized graphene as an additive of ideal thermal interface materials. Therefore it is a key issue to apply new low-dimensional materials in the thermal physics areas and it is of scientific significance and practical value to perform related investigations. The density functional theory (DFT) combined with nonequilibrium Green’s function method (NEGF), both based on quantum mechanics, are used in this project to study the heat transfer enhancement and chemical bonding heat conduction mechanism and bonding network mechanism when using functionalized graphene as additive of thermal interface materials, to deeply study the contributions of different functional groups, degree of oxidation and different thermal interface base materials combining with experiments. It is to achieve an enhanced dispersion effects and chemical bonding linkage effects when the functional groups of additives can optimized interreact or even with the thermal interface base materials. It is to realize the optimized structure of bonding thermal transport network and new thermal interface materials with thermal conductivity as high as larger than 10 W/(m•K), which is very useful for further industrial applications.

石墨烯作为典型二维结构碳材料以其特殊化学结构表现出优异的力学、比表面积、导热率等物理性能，部分氧化石墨烯功能化的官能团分子为其作为理想界面导热填料、形成键合热传导新机制、突破现有界面导热材料传热强化局限带来契机，是低维材料应用于热物理领域的关键课题之一，开展相关研究具有重要的科学意义和实用价值。本项目将采用基于量子化学的密度泛函理论结合非平衡格林函数的第一性原理计算与实验相结合，分析测试功能化石墨烯作为界面导热填料时的化学键合热传导新机制及键合导热网络新机制的传热强化效果，揭示官能团作用、部分氧化程度、界面导热基材等关键参数对功能化石墨烯链接传热特性的贡献机理，获得功能化官能团作用于界面导热基材时的强化分散效果及键合效果，实现键合导热优化结构及理论与实验相符合的导热系数大于10 W/(m•K)高导热界面材料，为实际应用提供科学依据。

项目采用基于量子化学的密度泛函理论结合非平衡格林函数的第一性原理计算与实验相结合，分析测试功能化石墨烯作为界面导热填料时的化学键合热传导新机制及键合导热网络新机制的传热强化效果，取得以下成果：.(1).揭示了键-键连接对石墨烯界面热传导的强化机理，研究了键-键连接的石墨烯界面热传导，结果表明通过键-键链接的方式降低石墨烯片之间的界面热阻，金属原子连接的结构能够有效保留低频声子通道，进一步保留石墨烯片高热导特性，最高热导可达完整石墨烯纳米带的13.2%。.(2).发展了批量制备氧化石墨烯的工艺，实验研究了氧化石墨烯不同氧化程度、不同官能团作用、不同键合数、石墨烯侧与石墨烯面的链接方式、不同界面导热基材（硅油和环氧树脂），在添加不同比例的功能化石墨烯的界面材料导热性能，揭示了石墨烯在环氧树脂体系中具有的三维导热网络作用。进一步研究了石墨烯和氮化铝的稳定性、氮化硼的相容性相关的复合导热硅脂。.(3).系统介绍了碳纳米管、石墨烯、硅烯与锗烯、石墨炔和石墨炔纳米管、过渡金属硫系化物、VA主族二维材料和磷烯的热电输运特性；简要介绍了二维拓扑绝缘体的拓展研究，为高性能纳米热电材料的设计提供参考。.(4).设计并预测了一个新的二维拓扑绝缘体家族，该新家族具有氢化Pb2XY（X=Ga/Sb，Y=In/Bi）的结构组成，垂直平面方向的上下表面原子用氢原子进行钝化稳定。氢化Pb2XY体系是一类新发现的四元拓扑绝缘体，具有合适的带隙值0.25 eV，适用于工业应用。.(5).利用石墨烯片的导热导电特性，与金属氧化物作用可有效提高锂电池电极材料的离子循环特性，如对NiO-ZnO、TiO2、NiO、MnO等材料与氧化石墨烯形成复合电极材料，可明显提高电子传输效率并改善体积膨胀特性，显示出良好的充放电循环和能量密度效果。.本项目已发表研究专著一部、SCI论文15篇、国内核心期刊论文3篇，会议论文6篇，获得授权中国发明专利6件。参加国际学术会议7次，国内学术会议8次。培养毕业博士研究生4名，已毕业硕士研究生2名。