第2章 石墨烯及其填充樹脂基復合材料制備技術

2.1 引言

隨著科技的進步，熱管理技術逐漸成為提升電子器件性能和降低制冷能耗的關鍵因素。從微納電子器件、航天航空散熱模組、高密度車載鋰電池、大功率發光二極管到大型節能建筑，均要求解決其中的傳熱、散熱和熱調控等核心熱管理問題。據統計，運算芯片的失效概率與其工作溫度呈指數關系，溫度每升高10℃，芯片的失效概率將上升50%。另外，每年全球20%以上的能源均被用于建筑制冷、保暖等恒溫系統。因此，發展新一代的熱管理材料具有重大的實際意義。熱傳遞主要存在三種基本形式：熱傳導、熱輻射和熱對流。在自然對流情況下，元器件散熱的主要形式為發熱元器件通過熱界面材料把熱傳到熱沉表面，熱沉表面再通過熱輻射和熱對流的形式實現降溫。因此，可以通過提高熱界面材料的導熱性能降低降溫所需的能耗。

提高熱界面材料導熱性能的關鍵技術難點在于提高導熱填料和聚合物基體的本征導熱性能、導熱填料與聚合物之間的界面聲子匹配及導熱填料在復合材料內部的導熱結構搭建。石墨烯是一類以sp2雜化形式構成的新型二維材料，其獨特的二維平面結構及碳輕質元素組合有利于聲子在該類材料中進行彈道式傳熱運輸，從而賦予該類材料極高的熱導率。其次，緊密的原子排列使得該類材料具有較高的力學強度。由于特殊的狄拉克點陣的存在，石墨烯具有較高的電子遷移率，從而具有較高的導電性能。因此，以石墨烯為導熱填料，開發出新一代熱界面材料的研究思路引起學術界和工業界的廣泛關注。然而，通過常規共混手段制備的石墨烯填充導熱復合材料的熱導率仍難以達到商用標準，其主要原因為此類復合材料中存在導熱填料分散性差、內部界面熱阻大、界面黏接性能差、填充量閾值低、批量化制備難等一系列問題，從而限制了材料性能的提升。本章將重點闡述石墨烯及其填充樹脂基復合材料的制備技術及其瓶頸問題。