金属-石墨烯复合材料的制备与导热性能研究

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1、中图分类号：TK121论文编号：102870218-S031学科分类号：080701硕士学位论文金属-石墨烯复合材料的制备与导热性能研究研究生姓名王唯学科、专业工程热物理研究方向传热传质指导教师史波副教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二〇一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringPreparationandThermalConductivityStudyofMetal-

2、GrapheneCompositesAThesisinThermalPhysicsEngineeringbyWangWeiAdvisedbyAssociateProfessorShiBoSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为

3、获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：2018.3.27.南京航空航天大学硕士学位论文摘要随着电子设备元器件逐渐向微型化、集成化、多功能化的方向不断发展，其工作频率以及功率密度都在不断增大，伴随而生的散热问题严峻，电子设备内部积聚的大量热量如若不能及时散出就会严重影响到设备的寿命、可靠性和稳定性。因此，在电子设备内部通常进行高效

4、的热管理以达到快速散热的目的，其中，寻找性能优良的散热材料成为一个重要突破口。而传统的金属散热材料由于自身的热膨胀系数、密度较大等问题，已经无法满足目前的散热需求，石墨烯展现出优异的力学、热学等性能，是理想的散热材料。本文利用石墨烯独特的结构和优异的性能，在保留石墨烯二维传热通道的前提下制备了一种较高热导率的金属-石墨烯复合材料薄膜，通过实验探索研究复合材料的导热性能，对电子设备的散热问题具有现实意义。本文采用改性Hummers法制备氧化石墨烯，在水溶液中利用电泳沉积法制备铜-氧化石墨烯复合材料，通过SEM等表征方法，研究制备工艺对成

5、膜性、微观形貌以及剖面厚度的影响。在单层或少层的氧化石墨烯水溶液中进行电泳沉积（沉积时间处于最佳成膜时间内），之后在真空干燥箱中40℃温度下干燥12h，制备的薄膜表面形貌良好；随着氧化石墨烯水溶液的浓度、沉积电压和沉积时间的增大，薄膜表面的褶皱和厚度增大；当沉积电压20V的时候薄膜片层之间衔接最紧密，随着电压的增大，层间空隙也在增大；这种制备方法还可以通过调整基底的形状和尺寸，制备出不同形状和规模的复合材料薄膜，具有很强的灵活性。利用稳态法测试上述石墨烯复合薄膜（带50μm铜基底）的热导率，在1g/L的少层氧化石墨烯水溶液中以60V的

6、电压沉积5min时，复合材料薄膜总厚度53.35μm，热导率最高达494W/(m·K)，相较于纯铜热导率提高24.1%；热导率随着沉积电压和时间的增大而升高，提高热导率更有效的方式是提高沉积电压。为了进一步优化复合材料薄膜的热导率，将剥离铜基底之后的薄膜做放电等离子体烧结的高温高压处理，得到含有铜纳米颗粒的金属-石墨烯复合薄膜。一方面纳米颗粒插在石墨烯的片层之间防止片层的堆叠和团聚，保证复合材料具有良好的层状平面结构，另一方面层间的纳米颗粒可以加强复合材料的纵向导热。金属-石墨烯复合薄膜的热导率为574W/(m·K)，相较于纯铜热导率

7、提高44.2%。关键词：石墨烯，氧化石墨烯，电泳沉积，复合材料，热导率，放电等离子体烧结I金属-石墨烯复合材料的制备与导热性能研究ABSTRACTWiththeelectroniccomponentsdevelopingtowardsminiaturization,integrationandmulti-functionaldirectiongradually,theworkingfrequencyandpowerdensityareincreasing,followedbyseveralcoolingproblem.Iflargea

8、mountsofheatcannotbespreadtimely,thelifespan,reliabilityandstabilityofequipmentwillbeaffectedseriously.Therefo