原创《关于石墨烯制备方法与粒径对复合材料热导率的影响分析》
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纪海滨
（赤峰农牧学校 内蒙古赤峰 024000）
摘 要 石墨烯作为由碳原子所构成的二维层状材料,具有非常多的优异性能,同时也是国内外进行研究的热点之一,普遍受到化学、物理、材料、能源、电子、生物及信息等领域的普遍关注.石墨烯是迄今为止导热系数最高的一种材料,在传热领域存在着十分有效的价值.文章比较系统地对石墨烯的制备方法和其粒径对复合材料热导率的影响进行了分析.经过实验发现,制备石墨烯时如果采用的粒径较大,则复合材料的热导率就越高.通过石墨烯的制备方法的优化,其热导率比基体材料可进行大大提高.
关键词 石墨烯；制备方法；复合材料；热导率
中图分类号:TQ644.1文献标识码:C文章编号:2095-1205(2018)02-35-01
碳材料在地球上是比较常见但又特殊的材料,它既能形成硬度非常大的金刚石,也能够形成形态比较软的石墨.在近几十年来,有关碳纳米材料的研究一直都是科技创新领域的前沿,2004年,外国相关人员首次使用机械剥离法获得了石墨烯.石墨烯是一种相对比较稳定的二维材料,它具有十分特殊的蜂窝状结构,这一结构在石墨烯进行导电时有着十分重要的作用,电子能够在平面内不受到任何限制地游离,从而形成较大范围的电子云,这一特性使石墨烯自身具有非常好的电学性.除此以外,石墨烯还具有超高的热导率、十分优异的光学性能以及良好的透气性.
1石墨烯的制备
（1）机械剥离法.Manchester大学里Geim小组所领导的研究组发表论文称,他们用机械剥离法得到了宽度可以达到10 μm左右的石墨烯片.该方法主要应用的是用氧等离子放置在高处,在热解石墨的表面蚀刻出约深5 μm、宽25 μm-2.5 mm的凹槽面,并将它放置在有光致抗蚀剂的Si02 ／Si基底上面,焙烧之后,再用透明色的胶带反复的分离出所产生的多余石墨片,最终将在Si晶片剩余的石墨片浸泡在丙酮中,并需要在大量的水和丙醇中进行超声清洗,从而去除绝大多部分的较厚片层,得到厚度小于10 μm的片层,而这些比较薄的片层需要靠毛细作用力或范德华力跟Si02 进行紧密的结合,最后再在显微镜面下挑出厚度达到要求的石墨烯片层.通过此方法能够得到尺寸合格的石墨烯片.但是不容易得到比较独立的单层原子层厚度的石墨烯片,并且产率也非常低,所以,此方法不适合进行大规模的生产和及应用.随后,此方法得到了更进一步的研究并且成为制备石墨烯的一个重要方法.
（2）氧化石墨-还原法.氧化的石墨方法主要有Hummers、Staudenmaiert和Brodie三种方法,这三种方法都是利用强质子酸来处理最原始的石墨,让强酸分子进入石墨层之间,再利用强氧化剂(如KCl04 、KMn04 等)对石墨进行氧化.Hummers氧化法最主要的优点是它的安全性比较高；跟Brodie和Hummers相比,Staudemaier是使用发烟硝酸混合酸和浓硫酸进行石墨处理,它们对石墨层本身的结构破坏比较严重.氧化剂的浓度大小和氧化时间的长短在对石墨烯片的制备有很大的影响,所以,氧化剂浓度大小及氧化时间长短需要仔细经过筛选之后才能制备出大小合适的石墨烯片[1].
2石墨烯含量对复合材料热扩散率和热导率的影响
伴随着石墨烯含量增加,复合材料的热导率和热扩散率和都出现下降的趋势.热导率和热扩散率对复合材料具有的微观组织十分敏感.虽然石墨烯拥有非常高的导热性,但石墨烯含量越多、复合材料界面越多,对热运动的阻碍就越大,导致其导热性能也越差.而另一个方面,基体合金内存在的晶体缺陷,也同样会对热运动产生十分严重的阻碍,从而就大大降低了复合材料的热导率.
3石墨烯含量对复合材料比热的影响
复合材料的比热会伴随着石墨烯的含量变化而进行变化.经实验表明,石墨烯含量如果逐渐增加,那么复合材料的比热就会慢慢下降.比热表征材料所具有的实际蓄热能力,主要就取决于组成物质的原子数量和种类,但是对于晶体结构或者显微组织并不十分敏感.石墨烯的比热是远远低于金属铜的,所以,在石墨烯的含量增加时,就会导致复合材料的比热下降.
综上所述,石墨烯是种全新型炭材料,它能够有效的提高复合材料的热导率,其独特的优点有：石墨烯有非常完美的蜂巢状晶格结构,这使得在进行热传递时,声子界面的散射及传播阻力小,平面内的热导率则非常高；石墨烯具有二维平面结构,这一结构对石墨烯在复合材料的内部形成导热网十分有利；由于石墨烯添加量比较少会大大提高复合材料的热导率,就能有效避免高量填充其他导热物时对性能产生的影响.石墨烯的不同制备方法和制备原料等等,也影响复合材料的热导率,因此,必须要全名综合的考虑所有相关因素.
复合材料论文参考资料：
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