搜索:  
中科院化学所马永梅研究员课题组《ACS Nano》: 平整石墨烯构筑高度各向异性导热/导电柔性膜
2020-09-12  来源:高分子科技

  随着5G技术,柔性智能穿戴等技术的飞速发展,芯片微型化,高度集成化和智能化,导致能量密度急剧上升,散热问题日益严重,这使得对具有高度各向异性导热和导电的柔性材料的需求急剧增加,这些材料不仅作为热的导体快速将发热点产生的热量导出,也可作为热屏蔽保护其下的设备组件。另一方面,具有高度各向异性导电的材料作为导体(≥10-5 S cm-1),以消除特定方向上的静电,如平面方向。反过来,在另一个方向为绝缘特性(≤10-9 S cm-1),防止电流泄漏,提供安全的操作环境。二维石墨烯和碳纳米管等碳材料由于其优异的导热(2000-3000 W m-1 K-1)和导电(104 S cm-1)能力,成为制备各向异性导热电导率纳米复合材料的理想材料,近年来受到广泛关注。


  直接以碳材料为填料制备的复合膜,虽然可获得良好的各向异性导热能力,但难形成高度各向异性的导电能力。


  在碳材料表面包覆绝缘层,可显著提升各向异性的导电能力。但是,引入了过多的界面,导热能力急剧下降。


  因此,兼顾导热和导电的各向异性,仍是一项有挑战的研究。


  近期,中科院化学所绿色印刷实验室马永梅研究员课题组在前期研究研究界面及复合材料导热(界面结合强度调控传热(ACS Appl. Mater. Inter. 2015, 7, 23644-23649.);纳米分子层调控界面传热(ACS Nano 2016, 10, 7792-7798.;ACS Appl. Mater. Inter. 2019, 11, 42708-42714.);石墨烯/尼龙导热复合材料(Compos. Part. A-Appl. S. 2019, 120, 49-55.))的基础之上,并受前人对石墨烯材料研究的启发,该课题组最近利用界面修饰手段和层层刮膜技术,以平整石墨烯为原料,采用可与石墨烯和高分子基体分别形成pi-pi和氢键相互作用的助剂,控制石墨烯在复合材料中仍保持高度平整构象及规整排布,并与高分子基体形成良好界面,获得了同时具备高各项异性的导热和导电性能的柔性复合膜。


亮点:

1、同时展现高度各项异性导热和导电能力;

2、利用界面调控剂,使石墨烯与高分子基体形成良好的界面结合,同时保持石墨烯高度平整构象及取向排列结构;

3、室温制备,无污染,低成本,可规模化制备。


制备GN/PVA纳米复合材料示意图。


  如示意图所示,具有芳香环结构的萘磺酸盐一方面可以与石墨烯形成π-π相互作用,另一方面,其表面的磺酸根可与聚乙烯醇形成氢键,利于石墨烯在聚乙烯醇水溶液中均匀分散,制备均匀的石墨烯/高分子混合溶液。将溶液取一部分放置在干净的玻璃板上并快速刮膜,在60.0 ℃烘箱中干燥10.0 min。然后取出玻璃板,重复刮膜和蒸发过程,直至获得厚度为10 ± 1.0μm的复合膜。


石墨烯自身结构及其在纳米复合材料中的状态。

(a)石墨烯的SEM图像。(b)石墨烯的AFM图像。(c)大尺寸GN-10.0 wt %/PVA纳米复合材料。(d) GN - 10.0 wt %/PVA纳米复合材料的淬断横截面SEM图像。GN-10.0 wt% / PVA纳米复合材料中S (i)和C (ii)元素的EDS (d1-d2)。(e) G峰强度,IG(θ)作为GN-10.0 wt % /PVA纳米复合膜平面与入射激光电场矢量间的θ函数。(f) GN-10.0 wt %/PVA纳米复合材料平面方向的TEM图像。(g) PVA、GN和GN-10.0 wt %/PVA纳米复合材料的拉曼光谱。


  采用微米级横向尺寸、纳米级厚度的平整石墨烯为填料,在层层刮膜的作用下维持石墨烯在复合材料中的平整结构,并获得高度取向。同时,Raman(图g)的测试结果表明,层层刮膜的制备工艺,在制备复合材料的过程中不会在石墨烯上引入多余的缺陷,这对石墨烯提高复合材料整体性能至关重要。


GN/PVA纳米复合材料的性能。

(a)不同石墨烯含量的GN/PVA纳米复合材料的各向异性热导率。(b)不同石墨烯含量的GN/PVA纳米复合材料的各向异性电导率。(c)该工作与已报道的各向异性导热/导电复合材料做对比。灰色和蓝色分别代表绝缘和防静电区域。(d)纳米复合材料的热、电传导机理。(e)不同石墨烯含量的GN/PVA纳米复合材料的拉伸强度。


  石墨烯在复合膜内均匀分散、高度取向且保持平整的结构不仅建立了优越的平面方向导热、导电网络,同时有效地阻断了轴向方向导热、导电通路,因此获得的复合膜具有显著的各向异性。石墨烯添加量为10.0 wt%时,面内热导率达13.8 W m-1 K-1,面内电导率达10-1S cm-1,而轴向热导率和电导率仅为0.6 W m-1 K-1和10-10S cm-1。此外,该膜具有高柔性和拉伸强度(由纯PVA的40 MPa提高至110 MPa)。


  下一步工作:研究高含量石墨烯复合膜结构和性能的调控。


  应用前景:该研究为制备高柔性、各向异性高导热、导电功能复合材料提供了新方法。值得一提的是,该制备过程是在室温下进行,没有使用有机溶剂,无环境污染等问题,可大规模、低成本制备。此类材料有望在柔性电子器件,防静电输气,输液管道,电子产品用低阻值塑料包装,防腐,电磁屏蔽等领域应用。


  相关成果以“Flexible Graphene Nanocomposites with Simultaneous Highly Anisotropic Thermal and Electrical Conductivities Prepared by Engineered Graphene with Flat Morphology”为题发表在最近的ACS Nano上,论文第一作者为博士生庄亚芳,通讯作者为郑鲲博士马永梅研究员


  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c04456

版权与免责声明:欢乐时时彩原创文章。刊物或媒体如需转载,请联系邮箱:info@stageastar.com,并请注明出处。
(责任编辑:xu)
】【打印】【关闭

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯
更多>>科教新闻