石墨烯取向影响石墨烯/硝酸盐复合材料传热性能的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学（NEMD）方法,以二元硝酸盐Solar salt（NaNO3和KNO3质量比为6∶4）为基体,石墨烯为填料,研究了石墨烯取向对石墨烯/硝酸盐复合材料界面热导的影响。研究发现,随着石墨烯平面与热流方向夹角的减小,体系热流密度升高、温差下降,界面热导从46.36 MW·m^-2·K^-1提升至80.03 MW·m^-2·K^-1。对复合材料中的原子振动态密度和微观结构进行表征,结果发现,随着石墨烯与热流夹角减小,界面处的热流从跨石墨烯平面运输转变为沿石墨烯平面的高效率运输,且加入石墨烯后硝酸盐会形成密度较大的致密层结构。同时,采用有效介质理论拟合了微观尺寸的石墨烯/硝酸盐复合材料热导率,结果表明,石墨烯平行于热流方向时复合材料热导率最高,且增加石墨烯体积分数及长度均有助于复合材料热导率的增强。     

氮化铝/氮化硼/碳纳米管/硅橡胶复合材料的力致填料取向对导热性能的影响

随着科学技术的发展,电子元器件发热量大幅度增加,因此开发兼具高导热和高绝缘性能材料日益迫切。以甲基乙烯基硅橡胶（SR）为基体,碳纳米管（CNTs）、六方氮化硼（BN）以及氮化铝（AlN）为导热填料,通过机械共混法制备导热复合材料。研究3种导热填料复配对复合材料的导热性能、绝缘性能和力学性能的影响,研究填料取向对复合材料导热性能的影响,研究材料表面温升与加热时间的关系。采用Agari模型预测复合材料的理论热导率。通过热红成像、扫描电子显微镜、X射线衍射分析、热重分析等对复合材料进行表征。结果表明：随着复配导热填料中AlN用量的减少,BN和CNT_S用量的增加,复合材料的热导率逐渐升高;当AlN为80 phr,BN为68 phr,CNTs为2 phr时,复合材料的垂直热导率为1.857 W·m^-1·K^-1,平行热导率为2.853 W·m^-1·K^-1,体积电阻率为2.18×10¹² Ω·cm,拉伸强度达4.3 MPa,复合材料的综合性能较好。     

无压浸渗制备SiC/Al电子封装材料的结构与性能

将粒度为F280的SiC颗粒振实后直接无压浸渗液态AlSi12Mg8铝合金,制备出高SiC含量的铝基复合材料,并对其结构和性能进行了研究。结果表明:采用该方法制备的SiC/A1复合材料内部组织结构均匀致密,无明显气孔等缺陷,界面产物主要为Mg₂Si,MgO,MgAl₂O₄;平均密度为2.93 g·cm^-3,抗弯强度在320 MPa以上,热膨胀系数为6.14×10^-6～9.24×10^-6 K^-1,导热系数为173 W·m^-1·K^-1,均满足电子封装材料要求。     

尼龙6/可膨胀石墨/Al_2O_3导热绝缘复合材料的制备与性能EI北大核心CSCD

低温可膨胀石墨(LTEG)呈二维片层状,具有优良的导热导电性,可以作为导热填料提高高分子材料的导热性能。文中将Al_2O_3与LTEG复配,与尼龙6(PA6)树脂复合,制备了导热复合材料。实验控制LTEG的用量低于其导电逾渗阈值,保证最终材料的体积电阻率在较高水平。熔融挤出过程中,LTEG原位膨胀、剥离形成石墨微片,石墨微片起到"桥梁"作用,与Al_2O_3粒子相互搭接,促进导热通路的形成,明显提高了材料的热导率。试样EA5/60 (5%LTEG+60%Al_2O_3)的热导率达到2. 019 W/(m·K),比纯PA6热导率提高了596. 2%。引入石墨微片使复合材料的体积电阻率降低2~3个数量级,保持在10^(12)~10^(13)Ω·cm。     

尼龙6/可膨胀石墨/Al_2O_3导热绝缘复合材料的制备与性能

低温可膨胀石墨(LTEG)呈二维片层状,具有优良的导热导电性,可以作为导热填料提高高分子材料的导热性能。文中将Al_2O_3与LTEG复配,与尼龙6(PA6)树脂复合,制备了导热复合材料。实验控制LTEG的用量低于其导电逾渗阈值,保证最终材料的体积电阻率在较高水平。熔融挤出过程中,LTEG原位膨胀、剥离形成石墨微片,石墨微片起到"桥梁"作用,与Al_2O_3粒子相互搭接,促进导热通路的形成,明显提高了材料的热导率。试样EA5/60 (5%LTEG+60%Al_2O_3)的热导率达到2. 019 W/(m·K),比纯PA6热导率提高了596. 2%。引入石墨微片使复合材料的体积电阻率降低2~3个数量级,保持在10~(12)~10~(13)Ω·cm。     

石墨烯导热纸研究进展

由于依靠声子进行热传导的特性,石墨烯具有异乎寻常的高热导率。理论和实验研究均已证明,单层石墨烯的热导率可达5 000 W·m^-1·K^-1以上,是目前已知热导率最高的一种材料。然而,单层石墨烯由于厚度薄、片径小等几何尺寸上的原因而很难在宏观尺度上获得实际应用。得益于化学方法制备高质量石墨烯粉体的快速发展,将石墨烯粉体制备成柔性的高导热石墨烯纸是近几年的热点研究方向之一。虽然石墨烯纸的面内热导率已经能够达到1 000 W·m^-1·K^-1以上,但与单层石墨烯的热导率仍存在较大的差距,且纵向热导率低。近几年,科研人员从大尺寸石墨烯粉体的采用、石墨烯纸微观结构的优化、还原处理方法的改进、石墨烯与其他物质混合等方面进行了研究,在提高石墨烯纸的热导率上取得了比较显著的效果。本文综述了有关石墨烯纸的研究进展,介绍了石墨烯纸的制备方法,并分析影响石墨烯纸热导率的因素,讨论增强石墨烯纸热导率的方法,总结了提高石墨烯纸热导率的研究思路和发展趋势,最后展望了石墨烯纸在热管理领域的应用。     

聚酰亚胺辅助制备高定向石墨烯基全炭泡沫及其在导热聚合物复合材料中的应用（英文）

石墨烯及其衍生物具有高纵横比的二维层状结构,在加工过程中通常倾向于水平排列。因此,石墨烯基复合热界面材料虽然具有较高的面内热导率,但其表现出的低面外热导率难以满足实际应用需求。本文通过定向冷冻策略制备了竖直排列的聚酰亚胺/石墨纳米片(PG)导热骨架以提高聚合物复合材料的面外热导率,其中石墨纳米片(GNs)为高导热石墨烯薄膜的粉体边角料。在该过程中,采用水溶性聚酰胺盐溶液直接分散疏水的GNs,热亚胺化后获得的聚酰亚胺在辅助GNs定向排列的同时经石墨化处理转变为人造石墨。同时,GNs的引入提高了PG骨架的有序度和密度,进一步提高了聚二甲基硅氧烷(PDMS)基复合材料的强度和导热性能。结果表明,所制备的PDMS/PG复合材料(PG:21.1%)的面外热导率达14.56 W·m^-1·K^-1,是纯PDMS的81倍。这种简便的聚酰亚胺辅助二维疏水填料定向排列的方法为各向异性热界面材料的规模制备提供了思路,同时实现了石墨烯薄膜边角料的再利用。     

熔盐法合成高导热磷化硼及其热管理性能研究

随着电力电子器件封装密度提高, 开发导热性能优异的热界面材料受到了广泛关注。绝大多数传统导热填料的热导率较低, 因此合成新型高导热填料是提高热界面材料导热性能的重要途径。本研究通过简单的熔盐法合成了高导热的磷化硼(BP)颗粒, 与氮化硼(h-BN)混合并通过搅拌和浇注的方法填充到环氧树脂(EP)基体中制备得到树脂基复合材料(BP-BN/EP)。实验结果表明：采用三盐法(NaCl : KCl : LiCl)合成的BP产率最高达到74%, 相对于单盐法(41%)和双盐法(39%)分别提高了33%和35%。对于BP-BN/EP复合材料, 复合材料的微结构显示BP和BN颗粒均匀分布在环氧树脂基体。当混合填料体积分数为30%时, 该复合材料的热导率达到1.81 W•m^-1•K^-1, 是纯树脂热导率(0.21 W•m^-1•K^-1)的8.6倍, 这与BP颗粒作为桥梁连接相邻BN颗粒形成导热网络有关。除此以外, 相较于不含BP的复合材料(SBN-BN/EP), BP-BN/EP复合材料展现出更加优异的热导率、热稳定性和较好的热力学性能。因此, 熔盐法合成的BP在热管理领域具有较大的应用前景。     

多层石墨/硅树脂导热复合材料的制备与性能

以硅树脂为基体材料, 多层石墨为导热填料, 采用旋转搅拌球磨法制备了多层石墨/硅树脂导热复合材料, 研究了填料对多层石墨/硅树脂复合材料热导率、 热膨胀系数(CTE)和热稳定性的影响。结果表明, 多层石墨在硅树脂中分散性良好。多层石墨/硅树脂复合材料的热导率随多层石墨填充量的增加而增大, 填充质量分数为45%时, 热导率达到2.26 W·(m·K)^-1, 超过此值之后热导率开始下降。随着填料的增加, 多层石墨/硅树脂复合材料热膨胀系数减小。与纯硅树脂相比, 多层石墨/硅树脂复合材料热稳定性高。相同填充量下多层石墨/硅树脂比SiC/硅树脂、 AlN/硅树脂的热导率高得多, 这说明径厚比大的片状填料更易形成有效接触和导热网链。     

热电材料中的高熵结构设计

高熵合金的设计思想在诸多材料领域都有广泛的应用, 本研究从高熵结构对热电输运性质的影响出发, 着重讨论热电材料对高熵结构设计的一些要求。以CuInTe₂为实例, 提出了热电材料的高熵结构应当尽量减小晶格畸变, 尽量选择在不影响费米面结构的格点位进行高熵掺杂。依据这些准则, 设计的高熵化合物Cu_0.8Ag_0.2Zn_0.1Ga_0.4Ge_0.1In_0.4Te₂的室温热导率降到了2.1 W·m^-1·K^-1, 比基体材料降低70%, 最高ZT值达到1.02, 较基体提升90%。在二元化合物SnTe中进行了AgSbSe₂固溶, 其室温热导率降到1.3 W·m^-1·K^-1, 比基体降低80%以上。本研究表明, 遵循一定准则设计的高熵结构对于提升热电材料性能具有重要的意义。     

Toward multi-functional polymer composites through selectively distributing functional fillers

The distribution of functional filler is known to have significant influence on various functionalities, yet, not been systematically investigated. Herein, we use a blends system based on PA12/PA6 containing SiC and low-temperature expandable graphite (LTEG) to study it. The effect of filler distribution in such blends on various functionalities including: thermal conductivity, electrical conductivity, and electromagnetic interference (EMI) shielding ability, has been systematically studied. Further study on altering filler distribution with polished PA6-LTEG and PA6-LTEG in different sizes reveals that, polished particle surface results in reduced electrical and thermal conductivity; and smaller particle size leads to enhanced electrical conductivity, thermal conductivity and EMI shielding ability. Finally, theoretical approach on thermal conductivity demonstrates that the system illustrates very effective contribution in thermal conductivity from large PA6-LTEG “filler” comparing to much smaller traditional fillers. Such study could provide a guideline for the processing of functional polymer composites.     

Thermally conductive polyamide 6/carbon filler composites based on a hybrid filler system

We explored the use of a hybrid filler consisting of graphite nanoplatelets (GNPs) and single walled carbon nanotubes (SWCNTs) in a polyamide 6 (PA 6) matrix. The composites containing PA 6, powdered GNP, and SWCNT were melt-processed and the effect of filler content in the single filler and hybrid filler systems on the thermal conductivity of the composites was examined. The thermal diffusivities of the composites were measured by the standard laser flash method. Composites containing the hybrid filler system showed enhanced thermal conductivity with values as high as 8.8 W (m · K)⁻¹, which is a 35-fold increase compared to the thermal conductivity of pure PA 6. Thermographic images of heat conduction and heat release behaviors were consistent with the thermal conductivity results, and showed rapid temperature jumps and drops, respectively, for the composites. A composite model based on the Lewis–Nielsen theory was developed to treat GNP and SWCNT as two separate types of fillers. Two approaches, the additive and multiplicative approaches, give rather good quantitative agreement between the predicted values of thermal conductivity and those measured experimentally.     

Thermally conductive polyamide 6/carbon filler composites based on a hybrid filler system

Abstract

We explored the use of a hybrid filler consisting of graphite nanoplatelets (GNPs) and single walled carbon nanotubes (SWCNTs) in a polyamide 6 (PA 6) matrix. The composites containing PA 6, powdered GNP, and SWCNT were melt-processed and the effect of filler content in the single filler and hybrid filler systems on the thermal conductivity of the composites was examined. The thermal diffusivities of the composites were measured by the standard laser flash method. Composites containing the hybrid filler system showed enhanced thermal conductivity with values as high as 8.8 W (m · K)^?1, which is a 35-fold increase compared to the thermal conductivity of pure PA 6. Thermographic images of heat conduction and heat release behaviors were consistent with the thermal conductivity results, and showed rapid temperature jumps and drops, respectively, for the composites. A composite model based on the Lewis–Nielsen theory was developed to treat GNP and SWCNT as two separate types of fillers. Two approaches, the additive and multiplicative approaches, give rather good quantitative agreement between the predicted values of thermal conductivity and those measured experimentally.     

复合型散热硅橡胶研究

研究了氧化铝和氮化硼粒子用量对硅橡胶热膨胀系数、热稳定性及热导率的影响.发现加入两种填料均显著降低了橡胶热膨胀系数,提高了热稳定性及热导率;试验测试热导率和理论计算值差距较大,用Agari模型分析了两种填料对硅橡胶热导率差异影响的原因.按照一定比例混合这两种填料所得混合填料填充硅橡胶可获得最大热导率及较佳性能.所制备的复合硅橡胶具有很好的物理性能,是作为散热使用的弹性导热垫片的理想材料.     

混杂填料填充导热硅橡胶性能研究

以甲基乙烯基硅橡胶为基胶,选用不同粒径氮化硅粒子和碳化硅晶须为填料制备了导热硅橡胶.研究表明:大小粒子以最佳比例进行混合填充时橡胶可获较高热导率,并采用Hasselman模型和等效粒径概念来研究混合粒子体系的热导率;将碳化硅晶须和氮化硅粒子并用,在较低用量下体系呈现较高热导率.此外,随混合填料用量增加橡胶热膨胀系数降低,热稳定性提高.     

氮化硼和纳米金刚石混杂填充聚酰亚胺导热复合材料的制备与表征

以二维六方氮化硼和三维纳米金刚石为导热填料通过原位聚合方式杂化填充到聚酰亚胺(PI)基体中制备导热绝缘复合材料。采用聚芳酰胺和4,4-二氨基二苯醚分别对氮化硼和纳米金刚石进行表面接枝改性,以提高有机-无机两相界面的相容性。通过扫描电子显微镜、导热仪、热重分析等方法对复合材料的结构和性能进行了表征。结果表明,不同粒径的导热填料混杂填充聚合物,利用协同效应可以提高堆砌密度,降低界面热阻,形成导热网络。当填料总质量分数为30%,改性氮化硼和纳米金刚石的质量比为9∶1时,复合材料的热导率达0.596 W/(m·K),是纯PI的3.5倍,同时复合材料仍具有较好的热稳定性和电绝缘性,满足微电子领域的应用需求。     

BN/Al_2O_3/碳纤维填充MVQ导热复合材料的制备

以甲基乙烯基硅橡胶(MVQ)为基体,片层氮化硼(BN)、球形Al_2O_3、碳纤维为填料,通过共混的方法制备了导热硅橡胶复合材料。利用热重分析仪(TGA),扫描电子显微镜(SEM),电子拉力试验机以及导热系数仪对复合材料的结构和性能进行了表征。结果表明:复合材料的热导率、热稳定性、力学性能、交联密度随着填料量的增加而增加。填料量达50vol.%时,尤以片层BN对热导率增加的效果突出,热导率从0.168增至1.8W/(m·K);碳纤维对复合材料的力学性能贡献最大,拉伸强度从0.48增加到2.98MPa;片层BN在橡胶基体中以面-面接触的方式均匀分散,更易于形成有效的导热网链。     

片状Al2O3对Al2O3/FEP复合材料热导率的影响

通过混炼工艺制备了片状Al₂O₃填充聚全氟乙丙烯(FEP)复合材料,以颗粒状Al₂O₃为对比样品,研究了片状Al₂O₃形状和尺寸对 FEP基复合材料热导率的影响,利用SEM观察了FEP基复合材料的微观形貌。结果表明：在低填充量下,Al₂O₃颗粒在FEP基体中呈“海岛”状分布,没有形成连续的导热网链,但其热导率明显提高;复合材料拉伸强度与断裂伸长率随Al₂O₃含量的增加而减小;低填充量时复合材料热导率的提高主要来自Al₂O₃的微细片状结构,这种微细片状结构一方面提高了有效导热路径,另一方面增加了颗粒与基体之间接触面积,因此有利于热导率的提高。     

无机填料对环氧模塑料导热和阻燃性能的影响

采用两种无机填料Si₃N₄和Al(OH)₃ 复合填充环氧树脂制备了环氧模塑料(EMCs), 研究了两种填料用量及单独添加和复合添加对环氧模塑料导热性能和阻燃性能的影响。研究结果表明, 单独添加Si₃N₄或Al(OH)₃对环氧模塑料导热性能和阻燃性能的影响规律基本一致, 即随着填料含量的增加, 环氧模塑料的导热性能和阻燃性能均有不同程度的提高; 复合添加Si₃N₄和Al(OH)₃对环氧模塑料的导热性能和阻燃性能均起到积极作用, 但是随着填料中Si₃N₄与Al(OH)₃体积比的变化, 材料导热性能与阻燃性能会产生交叉耦合作用。当 填料中Si₃N₄与Al(OH)₃体积比为3∶2, 总体积分数为60%时, 环氧模塑料的导热率可以达到2.15 W/(m·K), 氧指数为53.5%, 垂直燃烧达到UL-94 V-0级。