通过结构调控制备高导热聚合物/石墨烯复合材料及其增韧研究

Preparation of polymer composites with high thermal conductivity and high mechanical properties becomes one of the key scientific issues to be solved urgently for our economic development. Focusing on the full utilization of the excellent heat conduction performance of graphene nanosheets, this project studies on the preparation of polymer/graphene composites with high thermal conductivities by designing the composite systems and adjusting their microstructure, and on their toughening. Individual high-quality graphene nanosheets will be prepared by vacuum-assisted thermal treatment of graphene oxide at high temperatures to endow polymers with high thermal conductivity. The thermally conductive polymer/graphene composites would be toughened by aromatic polymer fibers that would not damage the thermal conductivity of the composites. High-quality graphene aerogels with high densities will be prepared by hydrothermal treatment followed by thermal treatment at high temperatures, and used to prepare polymer composites with high thermal conductivities. The aromatic polymer fibers would be used to toughen the graphene aerogel，and the resultant graphene/fiber hybrid aerogel will be thermally treated to obtain graphitized hybrid aerogel. Both hybrid aerogels will be used to endow polymers with high thermal conductivity and high mechanical properties, especially toughness. This project will contribute to the development of the preparation and toughening technology of polymer/graphene composites with high thermal conductivities, and further promote the application of high-quality graphene in polymer composites.

制备高导热和高力学性能的聚合物复合材料是国民经济快速发展中迫切需要解决的关键科技难题之一。本项目充分利用石墨烯纳米片层的优秀热传导性能，通过复合体系设计和结构调控，开展高导热聚合物/石墨烯复合材料制备及其增韧研究。通过真空辅助高温热处理氧化石墨烯方法制备单分散的高品质石墨烯，以赋予聚合物高导热性能；使用不损害聚合物热导率的芳香族聚合物纤维增韧聚合物/石墨烯导热复合材料，制备出高导热和韧性的复合材料；通过水热合成而后高温热处理制备高密度的高品质石墨烯气凝胶，用于制备高导热聚合物复合材料；使用芳香族聚合物纤维增韧石墨烯气凝胶, 所制得的石墨烯/纤维复合气凝胶经高温石墨化处理制备石墨化的复合气凝胶，它们都被用于赋予聚合物高热导率和高力学性能，特别是韧性。本项目将有利于完善和发展高导热聚合物/石墨烯复合材料的制备及其增韧技术，进一步推动高品质石墨烯在聚合物复合材料中的应用。

本项目充分利用石墨烯的纳米片层结构及其优秀热传导特性，通过复合体系设计和微观结构调控，开展高导热聚合物/石墨烯复合材料制备及其增韧研究。(1) 为了赋予聚合物高导热性能，通过高温石墨化处理氧化石墨烯制得了高品质石墨烯。2400 oC以上的热处理温度既去除氧化石墨烯的含氧基团，又其修复缺陷。(2) 通过增强石墨烯与聚合物基体界面相互作用、促进石墨烯在聚合物中分散和导热网络形成，制备了几种高导热聚合物/石墨烯复合材料，包括: 导电导热石墨烯/环氧树脂复合材料、石墨烯@氧化锌晶须/环氧树脂导热复合材料、氧化铝/石墨烯/氢氧化镁/环氧树脂既导热又阻燃复合材料、以及基于电绝缘化石墨烯的导热环氧树脂复合材料。(3) 通过界面增强制备了几种高品质石墨烯三维热传导网络结构；采用真空辅助浸渍-固化成型方法制备了多种高导热聚合物复合材料。基于双向冷冻工艺制备了垂直取向高品质石墨烯热传导气凝胶骨架，其环氧树脂复合材料在石墨烯含量为2.3 vol%时的垂直方向热导率高达20.0 W/(m K)，约为纯环氧树脂热导率的100倍。该石墨烯气凝胶还提高了环氧树脂复合材料的断裂韧性。(4) 芳香族聚酰胺纤维被用于增强增韧石墨烯气凝胶。经由高温碳化得到的石墨烯/碳纤维复合气凝胶提高了其环氧树脂复合材料的力学和导电性能。(5) 基于氮化硼或石墨纳米片存在下的氧化石墨烯自组装，预先构筑了垂直取向和高密度的石墨烯复合气凝胶。其环氧树脂复合材料在石墨烯含量为19.0 vol.%时的垂直方向热导率高达35.5 W/(mK)。(6) 三维石墨烯气凝胶成功用于光热转化与热能存储与利用。制备了低密度和高孔隙率的石墨烯气凝胶，在石墨烯含量为13.3 wt%时，其十八醇相变复合材料热导率达9.50 W/(m K)，远高于十八醇的热导率。构筑的还原氧化石墨烯基水凝胶和气凝胶成功用于海水淡化以及污水处理。基于以上研究结果，发表国际学术期刊论文31篇, 获得授权中国发明专利7项, 在国内外学术会议上邀请报告15次。