改性石墨烯/铜合金导热材料的电泳沉积制备及其导热性能研究

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在科学不断发展的今天,电子产品如智能手机与平板电脑等已经渗入人们生活,成为不可或缺的一部分。随着电子设备不断地改进,内部的电路朝着微型化、集成化和高功率化方向发展,使得电子产品在使用过程中产生大量得热。电子设备如果要稳定运行以及保持长时间使用寿命,就必须把使用过程中产生的热量传递出去。因此,如何设计满足电子设备中具有高导热性能的散热装置就显得尤为重要。石墨烯作为一种由碳原子sp2杂化轨道组成的二维碳纳米材料,其形状呈六角形蜂巢结构。石墨烯具有出色的光学性能,优异的力学性能以及电学特性,值得注意的地方是其导热率的理论值为5300 W·m-1·K-1,远高于目前所有材料的导热率,其优异的导热性能引起了科研工作者的注意。常见的石墨烯导热材料是以复合材料的形式出现,如金属基石墨烯复合材料,高分子基石墨烯复合材料等。但是这些复合材料的制备工艺繁琐、环境不友好、高能耗和制备过程中引起的石墨烯缺陷度较大等缺点,不能有效地体现出石墨烯的高导热性能。脉冲电泳沉积作为一种制备复合材料的方法,具有操作简单,制备参数高度可控,环境友好,增大电极的极化以及减少阴极的析氢反应等优点,可通过电场力的作用在基体上负载沉积相,得到期望制备的复合材料。本文以制备具有高导热性能的H96黄铜合金为基体的石墨烯导热复合材料为目标,通过脉冲电泳沉积的制备方法,分别制备出石墨烯-碳纳米管/铜合金导热复合材料、γ-缩水甘油醚丙基三甲基硅烷-氧化石墨烯/铜合金导热复合材料以及表儿茶素没食子酸酯-石墨烯/铜合金导热复合材料,研究其导热性能。其研究结果如下:(1)通过调控石墨烯与碳纳米管的质量混合比,不同种类的表面活性剂、同系列的表面活性剂、脉冲电流密度以及电泳沉积的持续时间,经过激光导热仪的测试,得出石墨烯-碳纳米管/铜合金导热复合材料的热扩散系数。其中,使用Tween60对CNT-GNS进行非共价改性、脉冲电流强度为0.2 A/cm2以及电泳沉积时间为9.0 min时,其热扩散系数最高,原理在于Tween60的碳氧六元环中4个碳均连接有氧乙烯,亲水能力更强,而且其中一个氧乙烯位于长烃链中,这在一定程度上缓解了长烃链的疏水性,使得CNT和GNS均匀平整的沉积在铜合金表面。测试温度从50 ℃升到150 ℃,复合材料的热扩散系数从1.223cm2/s减小到1.086 cm2/s。(2)通过调控γ-缩水甘油醚丙基三甲基硅烷的浓度,脉冲电流密度以及电泳沉积的时间,经过激光导热仪的测试,得到γ-缩水甘油醚丙基三甲基硅烷-氧化石墨烯/铜合金导热复合材料的热扩散系数。其中,当γ-缩水甘油醚丙基三甲基硅烷的浓度为3%、脉冲电流密度为0.2 A/cm2以及电泳沉积时间10.0 min时,其热扩散系数最高,原理在于氧化石墨烯含有较多官能团易于改性,采用γ-缩水甘油醚丙基三甲基硅烷对氧化石墨烯进行表面改性,利用硅烷偶联剂在铜基体和氧化石墨烯之间构建一个特殊的共价键(Cu-O-Si-O-C)形成导热桥梁,使热量以声子形式通过导热通道而减少散射进而降低界面热阻。测试温度从50℃升到150 ℃,热扩散系数从1.243 cm2/s降低到1.096 cm2/s。(3)通过调控表儿茶素没食子酸酯的浓度,脉冲电流密度以及电泳沉积的时间,经过激光导热仪的测试,得到表儿茶素没食子酸酯-石墨烯/铜合金导热复合材料的热扩散系数。其中,当表儿茶素没食子酸酯的浓度为0.8 g/L、脉冲电流密度为0.2 A/cm2以及电泳沉积时间7.5 min时,其热扩散系数最高,原理在于表儿茶素没食子酸酯的多苯环结构可与石墨烯上的碳六元环发生π-π堆积效应,使石墨烯易于在水溶液中分散,这种非共价官能化可以使石墨烯在改性过程中保持结构上的完整,与此同时,热量可以通过π-π堆积的形式传递到石墨烯上。测试温度从50 ℃上升到150 ℃,热扩散系数从1.249 cm2/s降低到1.100cm2/s。
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