石墨烯增强导热硅橡胶的研究进展

合材料的
程*28+ &
有机硅
图2硅橡胶及导热硅橡胶复合材料热传导过程示意图 Fig 2 The illustration of heat transfer process of SR and thermally conductive SR composites
石墨烯的取向会在一定程度上影响TC - SR
径，空心部分表示低导热基体，阴影部分表示未 能形成连续导热路径的导热填料［25］ &
填料对基
性 的提 ， 主要 为提
供了热阻更低的热传导路径&随着导热填料在基
体中含量的提高，密度随之增大的局部低热阻热
传导路径最终会形成连续的、由导热填料形成的
热传导路径&在宏观上表现为复合材料热导率的
不断提高，直至导热填料的含量超过某一阈值
含量等参数估算复合材料热导率的理论模型&但
直至 1980 年 D. P. H . Hasselman 等人完成 Maa-
well模型的修正前，界面热阻这一影响复合材料 导热性能的关键因素并没有引起足够的关注［22］ &
石墨烯的热导率是现有材料中较高的，可达 5 000 W/（ m-K）［23］，是十分理想的导热填料&
升石墨烯对SR的
果等正面影响，这是
TC - SR/石墨烯复合材料的研究重点&
硅橡胶（SR）是一类特种高分子材料，其主 链重复单元由硅氧链节构成，与其它有机聚合物
主链结构相比具有较高的键能和较好的柔顺性,
从而使其具有较低的玻璃化转变温度（低至
-123［）和较广泛的应用温度范围（-100〜 300［）,以及出色的化学稳定性，在航空航天、 电子通讯、生物医药等高新技术领域得到了广泛 应用［1_8］。近年来，随着电子、减震降噪等设
： 、 ， 前 摘要 介绍了石墨烯的界面性能 添加量等因素对导热硅橡胶性能的影响 综述了当 石墨烯增强导 。 热硅橡胶的研究进展
关键词：石墨烯，硅橡胶，导热 ： ： ： 中图分类号 TQ333. 93 文献标识码 A doi 10. 11941/j. issn. 1009 -4369. 2019. 05. 013
技术进展
术執备Uh比 , 2019 33 (5)： 〜 410 417
SICICONE MATERIL
石墨烯增强导热硅橡胶的研究进展
范长颉1，丁方政1,任 河2,刘 嘉2,范召东2" （ ， ； ， ） 1.空装驻北京地区第六军事代表室 北京101300 2.中国航发北京航空材料研究院 北京100095
石墨
SR 合材料的研究中， 石墨 和氧
化石墨烯（GO）是两种主要的研究对象，作为填 料时可增强SR的导热、机械等性能［14-18］o但 由于制备成本及生产规模等的限制 ，在一些研究 中也使用石墨烯纳米片（GNP）替代［19］o总体而 言，石墨烯填料的自身性能及其与SR基体的相 互作用情况（如分散性、结合强度等）与硅橡胶 的导热等性能有着非常密切的关系。本文介绍了 石墨烯的界面性能、添加量等因素对导热硅橡胶
的 性能*29+, 进行讨论& 2
对取向随机分布的情
,未添加石墨烯的SR,
材料
有相同的
，
材料内部
厚度方向形成内能梯度&添 石墨烯的TC
-SR复合材料中，基 与石墨烯片层或 ：体
两相内部各自的
似是均一的，
者之
间却存在很大的差异；当 量经
进行
，石墨 提
-石墨烯
的播
，提高
部
，推进
进程* 29+&
SR等有机聚合物体系中自由电子含量十
入大
量高
，
的影响&
墨烯本体的高
合材料中 成
凸
对复合材料
,为实现“籍石
性能，在TC - SR/石墨 :
，从
高
SR）的研究目标，提高石墨烯的填充量 成
连续
和改善石墨烯度
性能p; 散性，
意的是，改善石墨烯度 的效果： 提高石墨 提 石墨 SR 中 的有
性 SR中的分 添量
限；
石墨烯与基 的相互作用，可提
（TC-SR）性能的影响，综述了当前石墨烯增强 导热硅橡胶的研究进展。
1石墨烯对硅橡胶导热性能的影响机理
与材料电磁性能等类似，对均匀复合材料导 热机理的研究可追溯至19世纪J. C. Maxwell和
J. Strutt的早期工作［20-21］，并在其后的不断发
展中提出了多种利用不同组分各自的热导率及其
收稿日期：2019 -06 -19& 作者简介：范长颉（1972-），男，硕士，主要从事航空工
程材料的研究&
* 联系人，E - mail: fanzhaodong99@ sohu. com。
第5期
范长颉等.石墨烯增强导热硅橡胶的研究进展
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图1逾渗模型示意图 Fig 1 Schematic diagram of percolation model
分 ，声子一般被认为是主要的
* 30+&
的存
成 的声子散射*31_35+，从
产 大的 &当石墨烯的添加量 逾渗阈
，石墨烯填料 有形成 通路&
,
的过程需要 经历“聚合物（
）
T聚合物-石墨烯界面（极高热阻）'石墨烯片 或聚集体（高 ）'石墨烯-聚合物 （极
高 ）'合物”等一系 程&因石墨烯具
有极高的比表面积，添 量石墨
但由于石墨烯具有极高的比表面积，将其加入有
机硅基体后会产生大量具有超高界面热阻的石墨
烯-有机硅基体界面，这使得石墨烯对SR导热 性能的影响机理变得更加复杂［24］&因此研究时
需要注意SR基体中石墨烯的分布情况，并充分 考虑添加石墨烯后产生的极高界面热阻所带来的
负面影响&
1-1导热复合材料的逾渗模型
图1为逾渗模型示意图，其中的实心部分 表示导热填料形成的高低温界面间的连续导热路
时* 26+，复合材料的
现十分明显的突
&
阈 称为逾渗阈值*26_27+o
1.2石墨烯增强导热硅橡胶的导热机理
虽然，石墨烯本身具有超高的
，是很
理想的 填料。
,石墨 SR中有限的
分散性和两者 弱的结合
大地限 其
SR中添加量的 *13+，很 保证材料综
合性能的同时达到逾渗阈值&
2
SR 和 填料添 量 逾
阈
备的不断发展，传统硅橡胶材料较低的导热性能
对散热效果的负面影响逐渐凸显［9_10］o通过添
加适当填料来提高SR的基础性能及实现功能拓
展，一直是研究者普遍采用的思路［1，11］&石墨 烯自2004年第一次被成功制备并表征开始［12］，
便因其优异性能吸引了大量科研工作者投入到石
墨烯增强聚合物复合材料的研制工作中 ［13］&在