石墨烯-聚合物基纳米复合材料的等效热传导性能分析开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

随着科技的发展,电子设备已经融入我们的日常生活之中。如今,快速散热系统的热管理已经成为现代电子设备最关键的问题之一,电子、光电子、电池等产生的热量,需要进行有效的消散,以防止设备过热引起的故障[1,2]。因此,我们需要提高材料的热传导效率,已达到尽快散热的目的。传统的散热材料诸如将导热填料(如银和镍)填充在聚合物基体中制备得到的复合材料,其作为热界面材料虽具有超过1 w/mk的热传导系数,但由于填料负荷高,导致设备重量大,限制了它的应用[3]。因此,我们急需一种理想的新型材料。石墨烯具有非常好的热传导性能,纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300w/mk,是目前为止导热系数最高的碳材料,高于单壁碳纳米管(3500w/mk)和多壁碳纳米管(3000w/mk),将其作为一种填充材料,与传统的金属填料相比,石墨烯不仅具有轻质的特性,而且其低浓度的填充量即可使环氧树脂聚合物基纳米复合材料的热传导系数得到了前所未有的改善,大大降低使其与金属表面的接触电阻[4-7]。因此,石墨烯-聚合物基纳米复合材料除了能够有效减轻电子产品的重量外,石墨烯低浓度的填充量能够显著降低复合材料的粘度,更加便于加工,是热界面材料制造过程中的理想状态[8]。

然而,现有的研究结果显示:石墨烯虽具有极高的热传导率,其填充在聚合物基体中能够在一定程度上改善复合材料的热传导率性能,但改善效果却远远低于预期值[9]。增加石墨烯在基体中的含量虽可以提高复合材料的热传导率,但随之而来的聚合物粘度的大幅增加使得复合材料很难加工,在实际使用中受到了极大的限制[10,11]。此外,如果石墨烯含量超过渗透阈值,复合材料会由绝缘体转变为导体,其作为热界面材料会导致短路,缩短电子设备的使用寿命[12]。因此,如何使用较低浓度的石墨烯含量即可实现复合材料热传导性能的高效改善,成为了该类材料作为热界面材料应用中的关键性问题之一。部分研究学者的研究结果表明,聚合物基体中石墨烯的填充浓度、形态、尺度、厚度等因素均是影响其热传导性能的主要因素[13-15]。但目前针对这些因素对其热传导性能影响的理论分析尚不系统,具体的影响机制不够清晰。

本论文将从理论分析的角度构建理论模型,探讨石墨烯的填充形态、长宽比、浓度、厚度等因素对石墨烯/聚合物基纳米复合材料热传导效率的影响,为低填充浓度下即可实现热传导性能的大幅提升提供理论基础,为该类复合材料的制备提供分析依据。

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2. 研究的基本内容与方案

石墨烯具有非常好的热传导性能,纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300w/mk,是目前为止导热系数最高的碳材料。高于单壁碳纳米管(3500w/mk)和多壁碳纳米管(3000w/mk)。石墨烯作为一种新型填充剂材料可以有效地提高聚合物及纳米复合材料的热传导性能,其效果远远优于传统填充材料,例如银和镍。石墨烯/聚合物基体复合材料的热传导效率受石墨烯在基体中的填充形态、长宽比、浓度、厚度、界面热阻等因素的影响,因此要研究并改善复合材料的热传导性能,以上因素的影响是基础、关键问题。明晰这些因素对复合材料等效热传导性能的影响将为揭示光热转化以及散热机制的研究奠定理论基础。

我们将基于有效介质理论,建立理论模型,得到复合材料热传导性能的等效表征形式,分析石墨烯的填充形态、长宽比、浓度、厚度、界面热阻等因素对该类复合材料等效热传导性能的影响。然后,基于matlab编写程序,进行数值计算,获得以上因素对复合材料热传导性能的影响规律,并将其与实验结果对比分析。



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3. 研究计划与安排

(1)第1-2周 查阅国内外文献并翻译英文文献,了解石墨烯-聚合物基纳米复合材料的基本概念及其热传导性能方面的研究现状,完成开题报告;

(2)第3-4周学习与研究内容相关的理论知识,开始进行理论分析工作;

(3)第5-8周完成理论推导并初步展开数值分析相关工作;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] c.nan, r.birringer, d.clarke, and h.gleiter. effective thermal conductivity of particulate composites with interfacial thermal resistance [j]. j. appl. phys, 1997,81:6692-6699.

[2] i.ngo, s.jeon, and c.byon. thermal conductivity of transparent and flexible polymers containing fillers: a literature review [j]. international journal of heat and mass transfer, 2016, 98:219-226.

[3] x.shen, z.wang, y.wu, x.liu, y.he, and j.kim. multilayer graphene enables higher efficiency in improving thermal conductivities of graphene/epoxy composites [j]. nano lett, 2016, 16: 3585–3593.

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