本文關鍵詞：三維石墨烯復合材料的制備及導熱性能研究

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【摘要】：自2004年Geim等首次采用微機械剝離高定向熱解石墨的方法成功制備出穩(wěn)定的單層石墨烯以來,石墨烯因其獨特的結構和優(yōu)異的性能成為材料學和物理學鄰域的一個熱門研究課題。其中,三維石墨烯及復合材料能夠將石墨烯固有的性質和三維結構材料所具有的優(yōu)點結合在一起,使其具有比二維材料更加出眾的性能和更廣泛的應用前景。環(huán)氧樹脂(Epoxy)和聚酰亞胺(Polyimide, PI)等聚合物具有力學強度高、電絕緣性能好和化學性質穩(wěn)定等優(yōu)點,因而廣泛應用于電子封裝領域。但它們的導熱性較差,不能滿足現(xiàn)代高速度、高密度電氣系統(tǒng)的散熱要求。而三維石墨烯的網(wǎng)絡結構可以在基體內形成完整的導熱通路,大大降低界面熱阻,因此常將三維石墨烯作為增強材料添加到聚合物中,來改善基體的導熱性能。本文以CH_4作為氣體碳源,通過化學氣相沉積法,在泡沫鎳和鎳網(wǎng)表面均勻生長出高質量的石墨烯,并通過Raman、TEM、XPS和SEM等技術手段來表征所得石墨烯的質量。利用大理石刻蝕液刻蝕掉金屬模板,得到具有完整網(wǎng)絡結構的三維石墨烯,然后將其添加到環(huán)氧樹脂和聚酰亞胺中,并用LFA、IR、 TG等對復合材料的導熱性能和熱穩(wěn)定性進行表征。研究表明：以泡沫鎳和鎳網(wǎng)作為模板,刻蝕掉金屬后得到的三維石墨烯具有一定的強度,能夠維持金屬模板原來的形貌特征。(1)聚酰亞胺(PI)中加入12 wt%的石墨烯網(wǎng)(Graphene Woven Fabric, GWFs)時,GWFs/PI復合材料垂直方向的熱導率為0.41 W/mK而水平方向的熱導率高達3.73 W/mK,與純PI相比,水平方向熱導率增加了1418%,但垂直方向僅增加66%,具有明顯的各向異性；(2)將不同層數(shù)的石墨烯泡沫(Graphene Foam, GF)加入環(huán)氧樹脂(Epoxy)中得到的GF/Epoxy復合材料雖然具有各向同性的特點,但由于泡沫鎳的孔徑較大,因此刻蝕后所得GF在基體中的添量較低,不能為熱量傳遞提供連續(xù)的網(wǎng)絡結構,復合材料的熱導率為0.43 W/mK,與純Epoxy (0.15 W/mK)相比,僅增加187%；(3)將生長完石墨烯的長條鎳網(wǎng)卷起來形成圓柱狀,填充完環(huán)氧樹脂后切片、刻蝕得到的GWFs/Epoxy復合材料在水平方向和垂直方向都具有較高的熱導率,平均熱導率為1.31 W/mK(比純環(huán)氧樹脂增加了911%),最大值高達1.67 W/mK,且具有良好的熱穩(wěn)定性。
【關鍵詞】：熱化學氣相沉積法 三維石墨烯 復合材料 熱性能
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TB33
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-31
• 1.1 石墨烯簡介11-23
• 1.1.1 石墨烯的發(fā)現(xiàn)11-12
• 1.1.2 石墨烯的結構和性能12-16
• 1.1.3 石墨烯的制備方法16-19
• 1.1.4 石墨烯的應用19-23
• 1.2 聚酰亞胺簡介23-26
• 1.2.1 聚酰亞胺的結構和性質23-24
• 1.2.2 聚酰亞胺的應用24-25
• 1.2.3 聚酰亞胺的制備25-26
• 1.3 環(huán)氧樹脂簡介26-27
• 1.3.1 環(huán)氧樹脂結構與性能26-27
• 1.3.2 環(huán)氧樹脂的應用27
• 1.4 課題背景27-29
• 1.5 選題的意義、內容和創(chuàng)新之處29-31
• 1.5.1 選題的意義29
• 1.5.2 主要內容29-30
• 1.5.3 創(chuàng)新之處30-31
• 第二章 實驗材料與方法31-39
• 2.1 實驗原理31-32
• 2.2 實驗材料32
• 2.3 實驗設備32-34
• 2.4 石墨烯及復合材料的表征方法34-39
• 2.4.1 激光共聚焦拉曼光譜儀(Raman)34
• 2.4.2 光學顯微鏡(OM)34
• 2.4.3 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)34-35
• 2.4.4 能譜儀(EDS)35
• 2.4.5 X射線光電子能譜儀(XPS)35
• 2.4.6 透射電子顯微鏡(TEM)35-36
• 2.4.7 激光導熱儀(LFA)36-37
• 2.4.8 紅外熱成像儀(IR)37
• 2.4.9 熱重分析儀(TG)37-38
• 2.4.10 寬頻介電譜阻抗譜儀38-39
• 第三章 GWFs/PI復合材料的制備與表征39-53
• 3.1 引言39
• 3.2 實驗部分39-41
• 3.2.1 GWFs的制備39-40
• 3.2.2 GWFs/PI復合材料的制備40-41
• 3.3 結果與討論41-50
• 3.3.1 石墨烯的表征41-47
• 3.3.2 GWFs/PI復合材料表征表征47-50
• 3.4 本章小結50-53
• 第四章 GF/Epoxy復合材料的制備與表征53-61
• 4.1 引言53
• 4.2 實驗部分53-55
• 4.2.1 三維石墨烯泡沫的制備53-54
• 4.2.2 環(huán)氧樹脂的預處理54-55
• 4.2.3 GF/Epoxy復合材料的制備55
• 4.3 結果與討論55-60
• 4.3.1 Raman表征56
• 4.3.2 SEM表征56-58
• 4.3.3 EDS表征58
• 4.3.4 TEM表征58-59
• 4.3.5 LFA表征59-60
• 4.4 本章小結60-61
• 第五章 GWFs/Epoxy復合材料的制備與表征61-81
• 5.1 引言61
• 5.2 實驗部分61-63
• 5.2.1 CVD法生長不同層數(shù)石墨烯61-62
• 5.2.2 GWFs/Epoxy復合材料的制備62-63
• 5.3 結果與討論63-81
• 5.3.1 石墨烯的表征63-68
• 5.3.2 GWFs/Epoxy復合材料的表征68-81
• 第六章 結論與展望81-83
• 6.1 結論81-82
• 6.2 展望82-83
• 致謝83-85
• 參考文獻85-93
• 附錄 攻讀碩士學位期間發(fā)表論文目錄93

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本文編號：907022