复合材料力学

复合材料力学

论文题目：用氧化铝填充导热和电绝缘环氧复合材料的无缺陷石墨烯纳米片

院系班级：工程力学1302

姓名：黄义良

学号：0215

用氧化铝填充导热和电绝缘环氧复合材料的无缺

陷石墨烯纳米片

孙仁辉1，姚华1，张浩斌1，李越1，米耀荣2，于中振3

（1.北京化工大学材料科学与工程学院，有机无机复合材料国家重点实验室北京100029;2.高级材料技术中心（CAMT），航空航天，机械和机电工程学院J07，悉尼大学;3.北京化工大学软件物理科学与工程北京先进创新中心，北京100029）

摘要：虽然石墨烯由于其高纵横比和优异的导热性可以显着地改善聚合物的导热性，但是其导致电绝缘的严重降低，并且因此限制了其聚合物复合材料在电子和系统的热管理中的广泛应用。为了解决这个问题，电绝缘Al2O3用于装饰高质量（无缺陷）石墨烯纳米片（GNP）。借助超临界二氧化碳（scCO2），通过Al(NO3)3前体的快速成核和水解，然后在600℃下煅烧，在惰性GNP表面上形成许多Al2O3纳米颗粒。或者，通过用缓冲溶液控制Al2(SO4)3前体的成核和水解，Al2(SO4)3缓慢成核并在GNP上水解以形成氢氧化铝，然后将其转化为Al2O3纳米层，而不通过煅烧进行相分离。与在scCO2的帮助下的Al2O3@GNP 混合物相比，在缓冲溶液的帮助下制备的混合物高度有效地赋予具有优良导热性的环氧树脂，同时保持其电绝缘。具有12％/（m·K）的高热导率，其比纯环氧树脂高677％，表明其作为导热和电绝缘填料用于基于聚合物的功能复合材料。

关键词：聚合物复合基材料（PMCs）功能复合材料电气特性热性能

Decoration of defect-free graphene nanoplatelets with alumina for thermally conductive and electrically insulating epoxy composites

Renhui Sun1，Hua Yao1， Hao-Bin Zhang1，Yue Li1，Yiu-Wing Mai2，Zhong-Zhen Yu3

Key Laboratory of Organic-Inorganic Composites, College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China;

for Advanced Materials Technology (CAMT), School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering J07, The University of Sydney, Sydney, NSW 2006, Australia;

Advanced Innovation Center for Soft Matter Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

Abstract:Although graphene can significantly improve the thermal conductivity of polymers due to its high aspect ratio and excellent thermal conductance, it causes serious reduction in electrical insulation and thus limits the wide applications of its polymer composites in the thermal management of electronics and systems. To solve this problem, electrically insulating Al2O3is used to decorate high quality (defect-free) graphene nanoplatelets (GNPs). Aided by supercritical carbon dioxide (scCO2), numerous Al2O3 nanoparticles are formed on the inert GNP surfaces by fast nucleation and hydrolysis of Al(NO3)3 precursor followed by calcination at 600 °C. Alternatively, by controlling nucleation and hydrolysis of Al2(SO4)3precursor with a buffer solution,

Al2(SO4)3 slowly nucleates and hydrolyzes on GNPs to form aluminum hydroxide, which is then converted to

Al2O3 nanolayers without phase separation by calcination. Compared to the Al2O3@GNP hybrid with the assistance of scCO2, the hybrid prepared with the help of a buffer solution is highly efficient in conferring epoxy with excellent thermal conductivity while retaining its electrical insulation. Epoxy composite with 12 wt% of

Al2O3@GNP hybrid exhibits a high thermal conductivity of W/(mK), which is 677% higher than that of neat epoxy, indicating its high potential as thermally conductive and electrically insulating fillers for polymer-based functional composites.

Keywords:Polymer-matrix composites (PMCs); Functional composites; Electrical properties;Thermal properties

1.介绍

随着电子器件的高集成化和小型化，积累的热量的快速和高效的耗散对于各种高性能器件的正常功能变得越来越重要。导热聚合物复合材料是热传输和散热的一类重要的热管理材料，由于其轻便和易于加工而广泛应用于包括发光二极管（LED）和电子封装的应用中。由于大多数聚合物的低热导率（〜/（m·K）），使用各种导热填料来增强它们的导热性。在这些填料中，电绝缘陶瓷填料如

Al2O3，BN 和AlN可赋予聚合物高导热性，同时填充的复合材料保持电绝缘。通常需要高负载（质量百分比> 50％）以获得具有令人满意的导热性的聚合物复合材料，这严重损害聚合物的机械性能并导致复合材料的加工困难。

与陶瓷填料相比，二维石墨烯具有更高的热导率（〜5300 W /（mK）），因此更有效地提高聚合物的热导率。然而，其高导电性使得不可能制备导热但电绝缘的聚合物/石墨烯复合材料，因为导电性对石墨烯的含量比热导率更敏感，并且在低填充填料下可容易地实现高电导率，然后发现聚合物复合材料的热导率明显增加。如果导电聚合物复合材料用于电子器件，必须进行电子元件的特殊结构设计，以避免器件内部发生电短路。

为了充分利用石墨烯对于电绝缘聚合物复合材料的优异的导热性，已经开发了各种技术以通过在石墨烯表面上构造绝缘纳米颗粒或纳米层来抑制其高电导率。Hsiao以及其他人通过溶胶- 凝胶法用二氧化硅涂覆热还原氧化石墨烯（TGO）。对于质量分数为1％的TGO-二氧化硅杂化物，其环氧复合物显示出/（m·K）的导热率和电绝缘性能（×10 9Ω·m）。然而，二氧化硅涂层的差的固有热导率和杂化物的低负载导致热导率的有限增加。与TGO 相比，TGO通常在1050℃的中等温度下热还原，并且仍然含有含氧基团和缺陷，因此具有适度的导热性，高质量（无缺陷）石墨烯纳米片（GNP）通过TGO板在2200℃的热退火，更具有导热性。例如，对于仅具有％质量分数的无缺陷的GNP的聚乙二

醇复合材料，获得/（m·K）的高热导率。