第2章 石墨烯及其填充樹脂基復(fù)合材料制備技術(shù)

2.1 引言

隨著科技的進(jìn)步，熱管理技術(shù)逐漸成為提升電子器件性能和降低制冷能耗的關(guān)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(fā)光二極管到大型節(jié)能建筑，均要求解決其中的傳熱、散熱和熱調(diào)控等核心熱管理問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)算芯片的失效概率與其工作溫度呈指數(shù)關(guān)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(tǒng)。因此，發(fā)展新一代的熱管理材料具有重大的實(shí)際意義。熱傳遞主要存在三種基本形式：熱傳導(dǎo)、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(fā)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(shí)現(xiàn)降溫。因此，可以通過提高熱界面材料的導(dǎo)熱性能降低降溫所需的能耗。

提高熱界面材料導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)在于提高導(dǎo)熱填料和聚合物基體的本征導(dǎo)熱性能、導(dǎo)熱填料與聚合物之間的界面聲子匹配及導(dǎo)熱填料在復(fù)合材料內(nèi)部的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)搭建。石墨烯是一類以sp2雜化形式構(gòu)成的新型二維材料，其獨(dú)特的二維平面結(jié)構(gòu)及碳輕質(zhì)元素組合有利于聲子在該類材料中進(jìn)行彈道式傳熱運(yùn)輸，從而賦予該類材料極高的熱導(dǎo)率。其次，緊密的原子排列使得該類材料具有較高的力學(xué)強(qiáng)度。由于特殊的狄拉克點(diǎn)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(dǎo)電性能。因此，以石墨烯為導(dǎo)熱填料，開發(fā)出新一代熱界面材料的研究思路引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，通過常規(guī)共混手段制備的石墨烯填充導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率仍難以達(dá)到商用標(biāo)準(zhǔn)，其主要原因?yàn)榇祟悘?fù)合材料中存在導(dǎo)熱填料分散性差、內(nèi)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(diǎn)闡述石墨烯及其填充樹脂基復(fù)合材料的制備技術(shù)及其瓶頸問題。