石墨烯聚合物復(fù)合材料，一種熱管理材料的新方向

隨著電子器件逐漸向微型化和集成化方向發(fā)展，大功率集成電路的散熱問題已成為影響電子器件的性能穩(wěn)定性、運(yùn)行可靠性和壽命耐久性的關(guān)鍵性因素，迫切需要使用具有更佳導(dǎo)熱性能的復(fù)合材料來作為電子封裝材料、主板、結(jié)構(gòu)件等。聚合物具有質(zhì)輕價(jià)廉和易加工成型等優(yōu)點(diǎn)，而常見聚合物基體的本征熱導(dǎo)率較低，并且不具備單獨(dú)用作導(dǎo)熱材料的能力，因此，如何有效提高導(dǎo)熱復(fù)合材料中聚合物基體的導(dǎo)熱性能成為其作為電子器件熱管理材料亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

石墨烯二維結(jié)構(gòu)

石墨烯作為一種二維碳納米材料，具有較高的電子遷移率 (15000~52700 cm2 /(V·s))和熱導(dǎo)率(3080~5150 W/(m·K))[1-2]，其可在聚合物基體中為聲子的熱傳遞構(gòu)建極佳的導(dǎo)熱通道，從而有效地改善聚合物基石墨烯復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。例如Shi等[3] 在外加磁場的誘導(dǎo)作用下，制備出可在取向方向上形成高效導(dǎo)熱路徑的Fe3O4@磁化石墨烯/硅橡膠復(fù)合材料。當(dāng)磁化石墨烯(MG)的含量為5.0 wt%時(shí)，該材料的平面熱導(dǎo)率達(dá)到0.6 W/(m·K)。若石墨烯未經(jīng)表面功能化，則復(fù)合材料整體熱導(dǎo)率的提高幅度受限，由此可見，石墨烯表面功能化對(duì)于復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的提高具有重大作用。

石墨烯和聚合物基體間的高界面熱阻和弱界面作用是影響復(fù)合材料體系熱傳遞的主要因素，通過對(duì)石墨烯進(jìn)行表面功能化是解決上述問題的一種非常有效的技術(shù)手段[4]。石墨烯表面功能化可分為非共價(jià)鍵功能化和共價(jià)鍵功能化[5]。Zong等[6]通過在氨基丙基異丁烯多面體低聚倍半硅氧烷(ApPoss)和氧化石墨烯之間形成酰胺基團(tuán)成功構(gòu)建出 ApPoss-石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)表明，ApPoss與環(huán)氧樹脂基體之間的相容性好并且聲子轉(zhuǎn)移散射小；當(dāng)石墨烯含量為0.3 wt%時(shí)，復(fù)合材料熱導(dǎo)率為0.3 W/(m·K)。接枝在氧化石墨烯上的ApPoss有效地阻礙了氧化石墨烯在聚合物基體中的聚集，同時(shí)作為連接氧化石墨烯和環(huán)氧樹脂鏈段的表面功能化活性位點(diǎn)，使材料的導(dǎo)熱性能顯著提高。

Cao等[7]采用原位生長法制備了金剛石/石墨烯/銅復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯在銅顆粒表面的原位生長促使了兩者之間形成牢固的共價(jià)鍵合，改善了金剛石和銅界面的潤濕性，從而使得界面熱導(dǎo)率提高了3.7倍，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率較沒有石墨烯夾層提高了61.0%(572.9 W/(m·K))，該研究為金剛石/銅復(fù)合材料的界面功能化提供了一種新的途徑。

Dong等[8]采用一鍋法對(duì)丁苯橡膠（SBR）進(jìn)行改性，制備出SBR/M-G納米復(fù)合材料，通過2-巰基苯并噻唑(M)對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行同步化學(xué)還原和表面修飾，使得rGO與M之間形成化學(xué)共價(jià)接枝，不僅減少了石墨烯的不可逆團(tuán)聚，而且改善了兩相界面相互作用。結(jié)果表明，當(dāng)填料用量為8 phr（每百份橡膠含量）時(shí)，SBR/M-G復(fù)合材料的熱導(dǎo)率較純SBR提高了51.0%。

Fang等[9]利用π-π相互作用將聚多巴胺(PDA)包覆在三維石墨烯泡沫(GF)表面，促使PDA的官能團(tuán)與3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTS)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。然后，將改性后的GF進(jìn)一步壓縮(c-GF) 以提高密度，并用聚二甲基硅氧烷(PDMS)浸潤，.終制備出c-GF/PDA/APTS/PDMS復(fù)合材料。當(dāng)GF含量為11.6 wt%時(shí)，該復(fù)合材料面內(nèi)熱導(dǎo)率為28.8 W/(m·K)，面外熱導(dǎo)率為1.6 W/(m·K)，優(yōu)異的導(dǎo)熱性能使得該材料具有巨大的工業(yè)化應(yīng)用潛力。

同時(shí)墨睿科技團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種石墨烯改性導(dǎo)熱PC（聚碳酸酯）母粒。該產(chǎn)品是基于關(guān)鍵制備技術(shù)來精準(zhǔn)調(diào)控氧化石墨烯的片徑、層數(shù)和活性官能團(tuán)等特性指標(biāo)，并巧妙利用其表面豐富的活性官能團(tuán)與機(jī)械法石墨烯納米片進(jìn)行改性結(jié)合，.后采用分散霧化技術(shù)進(jìn)行粉體之間的均勻包覆，從而形成導(dǎo)熱通路，達(dá)到1+1＞2的導(dǎo)熱散熱作用。這樣不僅保證了PC原有力學(xué)性能，還將其導(dǎo)熱系數(shù)由0.2W/(m·K)提高至1.0W/(m·K)，面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到了3.0 W/(m·K) ，另外通過熱模擬測試驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，相較于市面上已售的導(dǎo)熱PC，同等條件下本產(chǎn)品可將熱源熱量在材料內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速均勻傳導(dǎo)，防止其積聚造成的局部溫度過高，熱源溫度得以大幅降低。本產(chǎn)品適用于注塑、熱壓等成型工藝，用于制造各種電子產(chǎn)品器件外殼等結(jié)構(gòu)件，來解決應(yīng)用當(dāng)中遇到的熱管理問題，同時(shí)，可滿足產(chǎn)品對(duì)便攜性和輕量化的需求，減少其它功能填料的用量。

石墨烯改性導(dǎo)熱PC母粒

導(dǎo)熱PC材料熱模擬測試結(jié)果

綜上所述，石墨烯表面功能化可以有效改善界面相互作用，降低其與聚合物基體間的界面熱阻，對(duì)于提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率具有十分積極的作用。