石墨烯基复合材料的制备与性能探索

作     者：刘朝军 

作者单位：辽宁大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马凤才

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：石墨烯阵列 复合材料 热导率 各向异性 

摘      要：石墨烯是具有独特二维结构的晶体材料,石墨烯的物理和化学性质十分优异,如比表面积巨大、导电性非常好、导热散热特性优异和化学稳定性强等。鉴于石墨烯十分优异的导热特性,人们希望将石墨烯分散至聚合物中发挥石墨烯的导热性能,以期能够得到导热性能极其优异的复合材料,甚至其导热性能可以和类似于不锈钢的金属材料相媲美。本论文采用高质量薄层石墨烯,制备出有序的三维石墨烯阵列,然后将其与环氧树脂复合,并对其性能进行了一定的探索,具体结论如下:首先,将环氧树脂充分填充入石墨烯层间,让其在层间产生聚合反应(原位聚合法)制备复合材料:通过真空过滤的方法制备出了定向石墨烯阵列,石墨烯沿排列方向面面搭接形成骨架,然后利用原位聚合的方法,液态环氧树脂单体被石墨烯阵列中的毛细孔吸附,然后经过高温固化得到有序的三维石墨烯阵列与环氧树脂复合材料;石墨烯阵列在石墨烯复合材料中保持了取向阵列微观结构,导热性能高达33.54 W/(m K),而且其导热性能表现出各向异性且随温度(40℃升至90℃)升高而升高。其次利用有效介质理论模型与膨胀效应对有序的三维石墨烯与环氧树脂的复合材料导热性能表现出的各向异性与其对温度的响应进行分析与探索。理论结果表明复合材料的热导率与填充内容正相关,石墨烯层层有序定向排列,构成导热通路,复合材料在纵向上和横向上的的热导率的各向异性:石墨烯阵列纵向上θ值小于25°,其热导率高,横向上θ值远大于25°,其热导率相对较低。复合材料的导热系数随温度变化呈正比关系,主要是由于环氧树脂热膨胀,增加了石墨烯片层的接触压力,导致石墨烯有序性增加、石墨烯堆积体积增加。最后,对下一步工作进行了一定的讨论。