基于3D打印技术制备石墨烯分散可控复合材料及导热机理研究

In this work, graphene, epoxy and 1-octadecanol were used as main materials to prepare polymer composites with controlled dispersing graphene (containing two-dimensional orientation and three-dimensional dispersion) by 3D printing technology and vacuum-assisted method. The difference between a series of graphene were characterized by FT-IR, XPS and XRD et al. SEM and TEM were used to observe the microstructure of graphene, graphene reinforcement and corresponding composites, and then interface condition between graphene and polymer matrix was analyzed. The influent factors about thermal conductivity of the polymer composites were investigated detailed. According to thermal conductivity performance data, thermal conducting mechanism and model of the composites in this work were studied detailed. This project will enrich and develop the theoretical basis of polymer composites with controlled dispersing graphene, and possess important scientific significance and wide application prospect.

本项目拟以石墨烯、环氧树脂和十八烷醇为原料，采用3D打印技术和真空辅助法，制备石墨烯分散可控（二维取向和三维网络分散）的聚合物导热复合材料。通过FT-IR、XPS和XRD等测试表征不同类型石墨烯的差异。通过SEM和TEM测试，观察石墨烯、石墨烯增强体及对应的复合材料的微观结构，分析石墨烯和聚合物的界面状态。通过导热性能测试，研究不同石墨烯分散状态对应的复合材料导热性能的影响因素。根据导热性能数据，分析和解释复合材料的导热机理，建立导热模型。本项目研究工作为丰富和发展了石墨烯分散可控的聚合物导热复合材料的理论基础，立意新颖，内容丰富，应用前景广阔，具有重要的研究意义。

研究石墨烯的分散状态对复合材料导热性能的影响以及对应复合材料的导热机理和导热模型，可以为石墨烯分散可控聚合物导热复合材料的研究提供了理论基础和数据积累，对聚合物复合材料在导热领域的研究与应用具有重要的指导意义。本项目经过大量的性能研究和评价，确定以膨胀石墨烯和氧化石墨烯为原料制备石墨烯浆液，并用于3D打印中。利用膨胀石墨烯的较大片层直径和厚度、高本征热导率和氧化石墨烯的粘附性和成膜性，来赋予复合材料导热通路良好的力学性能和导热性能。一方面，以石墨烯浆液为原料，采用3D打印和定向冷冻工艺，制备三维取向的仿生植物茎状层级结构石墨烯/环氧树脂复合材料。多层石墨烯-环氧相可以提供高效的声子传输通道，使得仿生植物茎状层级结构石墨烯/环氧树脂复合材料比石墨烯/环氧共混复合材料拥有更高的导热性能。当填料含量为40 wt%时，该复合材料的热导率就可以达到5.56 W/m·K。与此同时，在树脂骨架和石墨烯-环氧相的共同作用下，与纯光敏树脂骨架相比，仿生植物茎状层级结构石墨烯/环氧树脂复合材料具有更高的抗压强度，其在横向和纵向的抗压强度分别提高了192%和240%。优异的导热性能和力学性能使得该复合材料在电子封装材料方面具有潜在的应用前景。另一方面，以石墨烯浆液为原料，采用3D打印和模板浇筑固化等工艺，制备了具有二维折返型蝴蝶结状结构的石墨烯/PDMS复合材料。该复合材料具有优异的导热性能和各项异性特征。在填料含量为30wt%时，复合材料在水平方向（X轴方向）和垂直方向（Y轴方向）上的热导率分别可以到达4.51 W/m·K和0.27 W/m·K。与此同时，复合材内部独特的拉胀结构，使其在0-100%应变范围的拉伸/释放周期中，经过100个循环周期后，仍具有稳定的导热性能和结构稳定性。各向异性的导热性能和优异的力学性能使该复合材料非常适合作为热管理材料。