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1、复合材料力学,论文题目：用氧化铝填充导热和电绝缘环氧 复合材料的无缺陷石墨烯纳米片 院 系 班 级 ： 工 程 力 学 1302 姓名： 黄义良 学号： 201314060215,1,2,用氧化铝填充导热和电绝缘环氧复合材料的无缺 陷石墨烯纳米片,孙仁辉 1，姚华 1，张浩斌 1，李越 1，米耀荣 2，于中振 3 （1.北京化工大学材料科学与工程学院，有机无机复合材料国家重点实验室北京 100029;2.高级材料技术中心（CAMT），航空航天，机械和机电工程 学院 J07，悉尼大学;3.北京化工大学软件物理科学与工程北京先进创新中心，北京 100029） 摘要：虽然石墨烯由于其高纵横比和优异的
2、导热性可以显着地改善聚合物的导热性，但是其导致电绝缘的严重降低，并且 因此限制了其聚合物复合材料在电子和系统的热管理中的广泛应用。为了解决这个问题，电绝缘 Al2O3 用于装饰高质量（无 缺陷）石墨烯纳米片（GNP）。借助超临界二氧化碳（scCO2），通过 Al(NO3)3 前体的快速成核和水解，然后在 600下煅 烧，在惰性 GNP 表面上形成许多 Al2O3 纳米颗粒。或者，通过用缓冲溶液控制 Al2(SO4)3 前体的成核和水解，Al2(SO4)3 缓慢 成核并在GNP 上水解以形成氢氧化铝，然后将其转化为 Al2O3 纳米层，而不通过煅烧进行相分离。与在 scCO2 的帮助下的 Al2
3、O3GNP 混合物相比，在缓冲溶液的帮助下制备的混合物高度有效地赋予具有优良导热性的环氧树脂，同时保持其电绝缘。 具有 12质量百分比的 Al2O3GNP 混合物的环氧复合材料表现出 1.49W /（mK）的高热导率，其比纯环氧树脂高 677， 表明其作为导热和电绝缘填料用于基于聚合物的功能复合材料。,关键词：聚合物复合基材料（PMCs） 功能复合材料 电气特性 热性能 Decoration of defect-free graphene nanoplatelets with alumina for thermally conductive and electrically insulatin
4、g epoxy composites Renhui Sun1，Hua Yao1， Hao-Bin Zhang1，Yue Li1，Yiu-Wing Mai2，Zhong-Zhen Yu3 (1.State Key Laboratory of Organic-Inorganic Composites, College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China; Centre for Advanced Materials Technolo
5、gy (CAMT), School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering J07, The University of Sydney, Sydney, NSW 2006, Australia; Beijing Advanced Innovation Center for Soft Matter Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China) Abstract:Although graphene
6、can significantly improve the thermal conductivity of polymers due to its high aspect ratio and excellent thermal conductance, it causes serious reduction in electrical insulation and thus limits the wide applications of its polymer composites in the thermal management of electronics and systems. To
7、 solve this problem, electrically insulating Al2O3is used to decorate high quality (defect-free) graphene nanoplatelets (GNPs). Aided by supercritical carbon dioxide (scCO2), numerous Al2O3 nanoparticles are formed on the inert GNP surfaces by fast nucleation and hydrolysis of Al(NO3)3 precursor fol
8、lowed by calcination at 600 C. Alternatively, by controlling nucleation and hydrolysis of Al2(SO4)3precursor with a buffer solution, Al2(SO4)3 slowly nucleates and hydrolyzes on GNPs to form aluminum hydroxide, which is then converted to Al2O3 nanolayers without phase separation by calcination. Comp
9、ared to the Al2O3GNP hybrid with the assistance of scCO2, the hybrid prepared with the help of a buffer solution is highly efficient in conferring epoxy with excellent thermal conductivity while retaining its electrical insulation. Epoxy composite with 12 wt% of Al2O3GNP hybrid exhibits a high therm
10、al conductivity of 1.49 W/(mK), which is 677% higher than that of neat epoxy, indicating its high potential as thermally conductive and electrically insulating fillers for polymer-based functional composites.,表面使得难以通过电绝缘纳米材料涂覆或装饰。幸,Al2O3GNP 杂化体使用两种不同的方法制备。,3,1.介绍,随着电子器件的高集成化和小型化，积累的热 量的快速和高效的耗散对于各种高
11、性能器件的正常 功能变得越来越重要。导热聚合物复合材料是热传 输和散热的一类重要的热管理材料，由于其轻便和 易于加工而广泛应用于包括发光二极管（LED）和 电子封装的应用中。由于大多数聚合物的低热导率 （0.2W /（mK），使用各种导热填料来增强 它们的导热性。在这些填料中，电绝缘陶瓷填料如 Al2O3，BN 和 AlN 可赋予聚合物高导热性，同时填 充的复合材料保持电绝缘。通常需要高负载（质量 百分比 50）以获得具有令人满意的导热性的聚 合物复合材料，这严重损害聚合物的机械性能并导 致复合材料的加工困难。 与陶瓷填料相比，二维石墨烯具有更高的热导 率（5300 W /（mK），因此更有效
12、地提高聚合 物的热导率。然而，其高导电性使得不可能制备导 热但电绝缘的聚合物/石墨烯复合材料，因为导电性 对石墨烯的含量比热导率更敏感，并且在低填充填 料下可容易地实现高电导率，然后发现聚合物复合 材料的热导率明显增加。如果导电聚合物复合材料 用于电子器件，必须进行电子元件的特殊结构设计， 以避免器件内部发生电短路。 为了充分利用石墨烯对于电绝缘聚合物复合材 料的优异的导热性，已经开发了各种技术以通过在 石墨烯表面上构造绝缘纳米颗粒或纳米层来抑制其 高电导率。Hsiao 以及其他人通过溶胶 - 凝胶法用 二氧化硅涂覆热还原氧化石墨烯（TGO）。对于质 量分数为 1的 TGO-二氧化硅杂化物，其
13、环氧复合 物显示出 0.32W /（mK）的导热率和电绝缘性能 （2.9610 9m）。然而，二氧化硅涂层的差的 固有热导率和杂化物的低负载导致热导率的有限增 加。与 TGO 相比，TGO 通常在 1050的中等温度 下热还原，并且仍然含有含氧基团和缺陷，因此具 有适度的导热性，高质量（无缺陷）石墨烯纳米片 （GNP）通过 TGO 板在 2200的热退火，更具有 导热性。例如，对于仅具有 5.3质量分数的无缺 陷的 GNP 的聚乙二醇复合材料，获得 1.35W / （mK）的高热导率。 虽然无缺陷的 GNP 是高导热的，但它们的惰性,Keywords:Polymer-matrix compos
14、ites (PMCs); Functional composites; Electrical properties;Thermal properties 运的是，环保超临界二氧化碳（scCO2）流体由于,其零表面张力和高扩散性而被证实在润湿惰性表面 是有效的，无机纳米颗粒的前体可以吸附到 GNP 的表面上，并随后转化为纳米颗粒和纳米片通过煅 烧。在 scCO2 的帮助下，AlOOH 和 MnO2 很好地 装饰在石墨烯的惰性表面上。然而，分离的纳米颗 粒通常导致松散和多孔结构，这将降低杂化物的热 导率。最近，我们通过使用缓冲溶液封装具有集成 的层的碳纳米管（CNT）。与 CNT 相同的石墨烯表
15、面特征应该使得可以在GNP 上构造紧密和固体的 Al2O3 层。然而，据我们所知，很少有文献报道了 通过在scCO2 流体或缓冲溶液的存在下在无缺陷的 GNP 上涂覆电绝缘层来合成导热但电绝缘的混合 物。 在这里，通过控制成核和水解过程，Al2O3 纳 米颗粒和纳米层分别在scCO2 流体和缓冲溶液的帮 助下在 GNP 上生长。合成的 Al2O3GNP 混合物 有效提高环氧树脂的导热性并保持环氧树脂的电绝 缘性。1质量分数的GNP 已经足以使环氧树脂具 有导电性。对于在 scCO2（Al2O3GNP-BS）的辅 助下制备的杂化体，环氧复合材料的保持电绝缘的 最大负荷增加至 10，导热率为 0.
16、96W /（mK）， 12的该混合物在导热率为 1.49W /（mK）的缓 冲溶液（Al2O3GNP-BS）中制备。这些热导率远 高于那些公开报道的具有高得多的填料负载的导热 和电绝缘复合材料，这表明作为聚合物复合材料的 有效的导热填料的潜力。此外，还研究了锚固的 Al2O3 的微观结构对复合材料性能的影响。 实验 材料 通过在 1050下热氧化石墨氧化物，然后在 2200下在氩气气氛中退火制备的无缺陷的 GNP 由上海潮县新材料科技有限公司（中国）提供。 Al(NO3)39H2O, Al2(SO4)318H2O，甲酸和甲酸铵 购自 JK Sci。 有限公司（中国）。 二氧化碳气 体（99.99，阳极气体），环氧单体（NPEL-128， Nanya Plastics），4,4-二氨基二苯基甲烷（DDM， Aladdin- 试 剂 ）， 商 业 -Al2O3（Honghe Chemicals） ），多壁 CNT（TNGM2，Timesnano） 和商业 GNP（M15，XG Sciences）直接使用而无需 进一步纯化。 Al2O3GNP 杂化物的制备,至 100MHz 的频
