【摘 要】
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随着航空航天、电子电路和5G通讯等领域的高速发展,器件小型化、集成化和智能化的特点日益凸显。单位面积的发热量呈现指数级增长,日益突出的散热问题己经成为阻碍这些领域发展的瓶颈。因此,开发高性能热传导材料,对高功率密度的电子器件进行热管理具有重要意义。填充石墨烯、氮化硼的复合材料因具有高热导率、高柔性和高稳定性等优点成为近年来热传导材料领域中的研究热点。以往报道的填充石墨烯、氮化硼的复合材料主要采用固
【基金项目】
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国家基金区域创新发展联合基金:5G基站“声子导热-相变液冷”协同热管理系统构建的基础理论和关键技术
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随着航空航天、电子电路和5G通讯等领域的高速发展,器件小型化、集成化和智能化的特点日益凸显。单位面积的发热量呈现指数级增长,日益突出的散热问题己经成为阻碍这些领域发展的瓶颈。因此,开发高性能热传导材料,对高功率密度的电子器件进行热管理具有重要意义。填充石墨烯、氮化硼的复合材料因具有高热导率、高柔性和高稳定性等优点成为近年来热传导材料领域中的研究热点。以往报道的填充石墨烯、氮化硼的复合材料主要采用固相法制备,制备工艺复杂,材料结构调控和性能优化困难。本研究以液相制备为基础,开发了湿法纺丝和溶剂扩散等方法制备石墨烯、氮化硼复合材料,旨在探索简便高效的液相制备方式。采用傅里叶红外光谱仪、扫描电子显微镜、激光拉曼和X射线衍射仪等对复合材料进行性能表征,并分析了其热传导性能。主要研究工作如下:1、制备由氧化石墨烯胶体与海藻酸钠溶液组成的二元溶致液晶,以该溶致液晶为纺丝原液,通过湿法纺丝技术制备氧化石墨烯@海藻酸钙复合纤维,再经液相化学还原得到还原氧化石墨烯@海藻酸钙复合纤维。通过调控纺丝原液中氧化石墨烯的含量来控制纤维的组成成分和性能。力学性能表征表明,还原氧化石墨烯@海藻酸钙复合纤维的拉伸强度最高可达200 MPa。不同组分的纤维呈现出差异化的热传导能力,以高功率LED灯为热源,纤维最大的热传导温差可到60°C。2、以凯夫拉胶体为基础分别填充石墨烯和氮化硼,通过溶剂扩散法制备了石墨烯@凯夫拉复合膜和氮化硼@凯夫拉复合膜。所制备的复合膜具有良好的热稳定性,分解温度高达500°C以上,复合膜拉伸强度最高可达40 MPa。石墨烯填充量为25%的复合膜纵向导热系数为1.33 W m-1K-1,面内导热系数为6.06 W m-1K-1,导热系数提升率为390%与345%。氮化硼填充量为25%的复合膜纵向导热系数为0.54 W m-1K-1,面内导热系数为3.92 W m-1K-1,导热系数提升率为100%与188%。上述结果表明,石墨烯和氮化硼在复合材料中构筑了有效的导热网络。3、以凯夫拉胶体为基础,石墨烯和氮化硼为导热填料,采用溶剂扩散方式制备了Janus型石墨烯@氮化硼@凯夫拉复合膜,兼具了导热性与绝缘性。通过拉曼、红外等结构表征证明了Janus结构的成功构建。Janus复合膜具有优越的热稳定性和力学性能。Janus复合膜的纵向导热系数最高可达为0.73 W m-1K-1,面内导热系数最高为2.48 W m-1K-1。氮化硼面电阻19.86 MΩ,体现了其绝缘性。探索了Janus膜在高功率LED灯上的热传导性能,填充石墨烯和氮化硼的Janus复合膜与非填充型凯夫拉膜的热传导温度差异可达10°C,表明其具备良好的应用潜力。
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