氟化石墨烯在低固含量下賦予復(fù)合材料較高的熱導(dǎo)率、優(yōu)異的阻燃性、電絕緣性和熱管理特性
1.成果簡(jiǎn)介
現(xiàn)代電子器件不斷追求高密度、高能效和小型化，導(dǎo)致單位體積產(chǎn)生的熱量急劇增加。電子設(shè)備的有效熱管理正成為影響其進(jìn)一步發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。事實(shí)證明，器件表面和散熱器之間的熱傳遞不足是導(dǎo)致熱量難以排出的主要因素。熱界面材料（TIM）被設(shè)計(jì)為填充到器件/散熱器界面的空氣間隙中，以建立有效的熱傳導(dǎo)通道和優(yōu)化散熱過程。理想的TIMs的基本要求是卓越的導(dǎo)熱性、高彈性和良好的電絕緣性。常見的TIM包括導(dǎo)熱脂、導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱墊、導(dǎo)熱膠和相變材料。它們都有或多或少的缺點(diǎn)，如：加工和固化困難（導(dǎo)熱脂和導(dǎo)熱凝膠）；厚度大，表面不平整（導(dǎo)熱墊）；導(dǎo)熱系數(shù)低，有可能發(fā)生泄漏（相變材料）。目前，源于聚合物的TIMs正在經(jīng)歷一個(gè)快速發(fā)展的過程，因?yàn)樗瑫r(shí)具有重量輕、成本低、電絕緣性好、靈活性高、加工方便等特點(diǎn)。通過與高導(dǎo)熱填料的復(fù)合，旨在解決內(nèi)在熱導(dǎo)率低這一關(guān)鍵問題的研究也取得了很大進(jìn)展。
盡管石墨烯基復(fù)合材料被認(rèn)為是熱管理應(yīng)用的理想候選材料，但其較差的電絕緣性限制了其在需要電絕緣場(chǎng)合的進(jìn)一步應(yīng)用。氟化石墨烯（FG）是一種新型的石墨烯基材料，由于其優(yōu)異的電絕緣性能，吸引了研究人員的注意。近日，上海先進(jìn)熱功能材料工程技術(shù)研究中心的研究團(tuán)隊(duì)通過冷凍干燥和真空浸漬，構(gòu)建了具有緊密堆積結(jié)構(gòu)的新型氟化石墨烯氣凝膠/聚二甲基硅氧烷（FGA/PDMS）復(fù)合材料。所制造的復(fù)合材料顯示出很高的可壓縮性和優(yōu)越的導(dǎo)熱性，熱導(dǎo)率在低的固含量下達(dá)到1.41 W/(m·K)，相比PDMS提高約605.6%。同時(shí)，它還保持了優(yōu)良的絕緣性能，具有較低的導(dǎo)電率（2.0×10-9 S/cm），比石墨烯氣凝膠/PDMS低180倍。通過理論和實(shí)驗(yàn)的深入研究，也驗(yàn)證了該復(fù)合材料作為熱界面材料的實(shí)際優(yōu)異散熱性能。此外，FGA/PDMS復(fù)合材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃性能。
2.圖文導(dǎo)讀
圖1.圖文摘要
圖2.(a)FGA/PDMS的制備過程；(b)合成氟化石墨烯的機(jī)理圖
圖3. FGA/PDMS的微觀圖像和填充示意圖
圖4. FGA/PDMS的機(jī)械性能和電絕緣性能測(cè)試
圖5. FGA/PDMS的熱物性測(cè)試
圖6. FGA/PDMS的導(dǎo)熱數(shù)值模擬
圖7. FGA/PDMS的阻燃性測(cè)試
3.小結(jié)
綜上所述，本工作的氟化石墨烯（FG）是通過對(duì)氧化石墨烯（GO）框架進(jìn)行氟化改性而合成的。氟原子的引入改變了GO納米片的排列，并產(chǎn)生了一個(gè)高度多孔的結(jié)構(gòu)。通過冷凍干燥過程，重疊的片狀物被展開，而多孔結(jié)構(gòu)保持不變。通過真空浸漬，PDMS被引入到FGO骨架中，同時(shí)孔被填滿，得到了具有緊密堆積結(jié)構(gòu)的均勻的FGA/PDMS復(fù)合材料。所制備的FGA/PDMS表現(xiàn)出高壓縮性和良好的電絕緣性。與純PDMS相比，它顯示出卓越的熱導(dǎo)率，熱導(dǎo)率增加了約605.6%，這歸因于完整的熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的形成。同時(shí)，緊密堆積的結(jié)構(gòu)也顯示出TCR的降低，熱接觸電阻的溫度梯度降低了36.6%，壓力梯度降低了20.4%。通過將FGA/PDMS置于散熱器/加熱板之間，也觀察到其作為TIM的出色熱管理能力。有限元模擬結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了這一觀點(diǎn)。此外，通過簡(jiǎn)單的燃燒試驗(yàn)，也觀察到FGA/PDMS具有良好的阻燃性。我們的工作設(shè)計(jì)了一種新型的FGA/PDMS復(fù)合材料，它具有良好的機(jī)械性能和電絕緣性，同時(shí)，優(yōu)越的熱傳導(dǎo)和熱管理性能預(yù)示著它在微電子器件中的潛在應(yīng)用前景，特別是在需要電絕緣的場(chǎng)合。
以上成果發(fā)表在中科院一區(qū)TOP期刊Composites Science and Technology上，上海第二工業(yè)大學(xué)碩士研究生張緣為第一作者，上海第二工業(yè)大學(xué)能源與材料工程學(xué)院于偉教授、李一凡博士為共同通訊作者。Title：Tightly-packed fluorinated graphene
aerogel/polydimethylsiloxane composite with excellent thermal management
properties，Composites Science and Technology 220 （2022）109302。