第2章 石墨烯及其填充树脂基复合材料制备技术

2.1 引言

随着科技的进步，热管理技术逐渐成为提升电子器件性能和降低制冷能耗的关键因素。从微纳电子器件、航天航空散热模组、高密度车载锂电池、大功率发光二极管到大型节能建筑，均要求解决其中的传热、散热和热调控等核心热管理问题。据统计，运算芯片的失效概率与其工作温度呈指数关系，温度每升高10℃，芯片的失效概率将上升50%。另外，每年全球20%以上的能源均被用于建筑制冷、保暖等恒温系统。因此，发展新一代的热管理材料具有重大的实际意义。热传递主要存在三种基本形式：热传导、热辐射和热对流。在自然对流情况下，元器件散热的主要形式为发热元器件通过热界面材料把热传到热沉表面，热沉表面再通过热辐射和热对流的形式实现降温。因此，可以通过提高热界面材料的导热性能降低降温所需的能耗。

提高热界面材料导热性能的关键技术难点在于提高导热填料和聚合物基体的本征导热性能、导热填料与聚合物之间的界面声子匹配及导热填料在复合材料内部的导热结构搭建。石墨烯是一类以sp2杂化形式构成的新型二维材料，其独特的二维平面结构及碳轻质元素组合有利于声子在该类材料中进行弹道式传热运输，从而赋予该类材料极高的热导率。其次，紧密的原子排列使得该类材料具有较高的力学强度。由于特殊的狄拉克点阵的存在，石墨烯具有较高的电子迁移率，从而具有较高的导电性能。因此，以石墨烯为导热填料，开发出新一代热界面材料的研究思路引起学术界和工业界的广泛关注。然而，通过常规共混手段制备的石墨烯填充导热复合材料的热导率仍难以达到商用标准，其主要原因为此类复合材料中存在导热填料分散性差、内部界面热阻大、界面黏接性能差、填充量阈值低、批量化制备难等一系列问题，从而限制了材料性能的提升。本章将重点阐述石墨烯及其填充树脂基复合材料的制备技术及其瓶颈问题。