高导热石墨烯基热界面材料的设计及传热机理研究

具有优异传热性能的热界面材料在热控制和热管理领域有着广泛的应用。石墨烯是一种具有二维蜂窝状晶格结构的碳质新材料，具有巨大的比表面积、独特的二维平面结构和极高的导热系数，声子界面散射和传播阻力小，易于形成导热网络，是制备具有优异传热性能热界面材料的良好填料。本研究拟设计各向同性及各向异性两类石墨烯基热界面材料。采用化学氧化-剥离-还原的方法制备石墨烯，通过对石墨烯的表面处理及功能团化，提高其与基体材料的相容性，降低界面热阻。结合对石墨烯的微观结构表征和表面性质分析，研究石墨烯的层数、尺寸、表面处理方法及缺陷浓度等对石墨烯基热界面材料热物理性质（如导热系数、热扩散系数等）的影响规律，特别关注石墨烯在随机无序状态（各向同性）和定向处理后（各向异性）传热规律的差异，探索石墨烯强化传热机理，为设计具有优异传热性能的热界面材料提供必要的应用基础性科学依据。

石墨烯是具有二维蜂窝状晶格结构的碳质新材料，是制备具有优异传热性能热界面材料的良好填料。本项目围绕石墨烯在强化界面材料传热这一核心目标开展工作，取得了一系列原创性的进展。如：1）报导了含石墨烯导热硅脂体系界面材料的热物理特性，发现在体积分数为1%时，石墨烯纳米片可提高基体材料导热系数达103%。建立了充分考虑石墨烯厚度、长度、界面热阻和平面度影响的理论模型；2）系统研究了环氧树脂体系含石墨烯界面材料的热物理特性，并对其影响因素进行了详细的分析。研究结果表明，超声分散是影响石墨烯强化传热特性的关键因素之一。另外，石墨烯的制备方法、原料的尺寸、复合材料的制备工艺等因素也具有重要的影响；3）实验结果和理论分析证实了二维石墨烯与零维纳米材料可明显协同强化界面材料的热输运特性。其机理：适量的不同尺寸的氧化铝能够形成致密的堆积结构，易于在聚合物基质中形成导热网络。同时，石墨烯能够在氧化铝填料中形成导热桥，并且进一步提升填料的堆积密度和提供更多的导热通路，从而降低填料和聚合物基质之间的界面热阻和提高导热硅脂的导热系数；4）采用瞬态电热技术获得了氧化石墨烯膜的面内和面间导热系统，发现其具有明显的各向异性特征，且声子热传输特性大大降低。其原因主要是由于强氧化过程破坏了石墨烯的二维完美晶体结构。随后，提出了提高石墨烯膜导热系数的方法。通过重建石墨烯蜂窝状的平面结构，减少了石墨烯的表面缺陷。同时交联作用能够增强石墨烯堆积的规整度，从而降低石墨烯片间的接触热阻，从而提高石墨烯纸的导热系数。以上研究为设计具有优异传热性能的热界面材料提供必要的应用基础性科学依据。本研究共发表SCI论文10篇、EI收录论文2篇，已接收和待发表的论文4篇。论文主要发表在Applied Physics Letters, Physics Letters A等国际期刊上。2013年，作为会务组秘书长组织了“The 4th International Symposium on Micro and Nano Technology”。项目成果获得2013年度中国产学研合作创新成果奖（排名第二）和2014上海市自然科学奖二等奖(排名第二)。项目负责人应邀在2014年中国国际石墨烯创新大会作了主题报告，担任第十五届国际传热大会分会主席。2015年，作为客座副编辑为J Nanossci Nanotech 组稿一期。