基于特殊结构的石墨/硅橡胶复合材料导热性能研究

Thermal conductivity of polymer composites depend on the continuous network formed by the conductive fillers. Based on this mechanism, the 2-2 (layer-layer sturcture) and 3-3 (interpenetrating network structure) was selected as target strutures. Varies of graphite materials, including graphene oxide, carbon fiber, worm-like graphite were ulitilized to build the 2-2 and 3-3 type graphite preforms. Subsequently, the prepolymer of polydimethylsiloxane（PDMS） were filled to the graphite perform by liquid infiltration. As the structure of graphite perform were inherited, polymer based composites with 2-2 and 3-3 type structures were obtained. The formation and control of graphite structures were studied. The research try to find out critical process and parameters, such as pore structures of graphite preform and viscosity of the prepolymer, during the liquid infiltration. The relationship between thermal conductivity of graphite performs and polymer composite is investigated. It is expected that the the thermal conductivity of polymer composites with 2-2 or 3-3 structure will beyond 10 W/m K. The research will focus on finding a new strategy and new method to fabricate polymer composites with high thermal conductivity.

导热高分子复合材料的热导率主要依赖于导热填料所形成的连续导热网络。以高分子复合材料的导热机理为依据，选择2-2型（层状结构）、3-3型（网络互穿结构）两类具有高连接度的结构作为目标。利用多种形态、多种性质的石墨质材料（氧化石墨烯、炭纤维、石墨蠕虫）为前驱体，构筑具有2-2型、3-3型结构的石墨网络。然后将硅橡胶预聚物用液相浸渗的方法填充石墨网络的孔隙，并在合适的温度下交联成型得到具有目标结构的高分子复合材料。在此过程中，研究石墨网络的形成机制及结构控制。掌握液相浸渗过程中的关键过程及影响因素（石墨网络孔隙结构、硅橡胶粘度等）。探讨石墨网络本征热导率与复合材料整体热导率的继承与区别。本研究的目的在于探索设计与开发高导热高分子复合材料的新思路和新方法，突破目前填充型复合材料的性能瓶颈。同时亦能丰富目前导热高分子复合材料的学科内容。

高分子材料是电子封装材料中的重要组成部分。以界面导热材料（TIM）为例，硅橡胶是TIM材料中最常用的基础物质。但是和大多数高分子材料一样，硅橡胶的导热能力较差。如何通过有效的结构设计和制备工艺提高高分子材料的导热能力，不仅是TIM材料领域所关心的问题，也是聚合物基复合材料中一个共性的问题。. 提高聚合物材料导热能力的途径之一是在聚合物基体中引入具有高导热能力的填料（filler）。一般而言，只有当填料的体积分数超过一个临界值之后，复合材料的整体热导率才会有明显提升，这种现象被称为“逾渗现象”。要提高复合材料的热导率，就要不断加大填料的体积分数，而填料体积分数过高，又势必会影响聚合物基体的连续性，进而影响复合材料的整体力学性能。. 本项目以多种形态的炭石墨质材料为前驱体，利用它们独特的形貌和性能在复合材料中构筑网络互穿型（3-3型）网络和叠层型（2-2型）网络。试图通过结构设计和相应的制备工艺突破传统填充型复合材料的性能瓶颈。. 研究内容之一以化学剥离石墨（EG）为前驱体，与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合制备具有网络互穿型结构的界面导热材料。首先将PDMS的预聚液溶液吸附在EG的微米级孔隙里。将溶剂脱除后，PDMS预聚液驻留在EG的孔隙之中，然后将这种复合物热压成型。复合材料具有典型的网络互穿型结构。其连续的石墨网络成为复合材料的导热通道。EG含量为10 wt.%时，复合材料的热导率可达 4.7 W/m•K.比纯硅橡胶提高了近30倍。与此同时，复合材料保持较好的压缩变形能力（ε=30%时，压缩模量为0.68MPa）。研究工作之二两条技术路线制备了具有叠层型（2-2型）石墨/热塑性聚氨酯复合材料。复合材料的平面方向上热导率可达751 W/mK，而体积密度仅为1.8g/cm3。研究表明2-2型复合材料平面方向上热导率遵循混合定律（Voigt平均），在厚度方向上的热导率则遵循Reuss平均定律，且与石墨/聚氨酯之间界面结构密切相关。本项目所研制的叠层型聚合物复合材料已通过一系列航天环境试验，应用于多款星载电子产品的热控分系统中。