石墨烯及其复合材料导热性能的研究现状

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1、万方数据·94·材料开发与应用2010年12月文章编号：1003-1545(2010)06-0094-07石墨烯及其复合材料导热性能的研究现状周春玉，曾亮，吉莉，张东(同济大学材料科学与工程学院，上海200092)摘要：阐述了单层石墨烯、石墨烯带及石墨烯复合材料的导热性能。介绍了各种测试模型，综述了石墨烯的层数、纵横比、几何结构、边缘粗糙度、衬底耦合作用、温度等因素对其导热性能的影响。提出了石墨烯及其复合材料导热性能可深入研究的方面。关键词：石墨烯；复合材料；导热系数中图分类号：TB34文献标识码：A纯石墨烯是

2、一种仅一个原子厚的结晶体，厚度为0．35nm左右，具有超薄、超坚固和超强导热导电性能等特性和优异的力学性能，可望在高性能电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，是目前最理想的二维纳米材料u。J。超声波剥离氧化石墨(graphiteoxide)得到的氧化石墨烯(grapheneoxide)不能稳定存在于正常环境条件下。石墨烯原子在不停的振动，且振动的幅度有可能超过其厚度¨J。Meyer和Geim等【51研究表明石墨烯在第三维上经波动

3、后，结构变得相当稳固，尤其是单层石墨烯为降低其表面能，由二维向三维形貌转换，褶皱是二维石墨烯存在的必要条件。石墨烯具有极高导热系数，近来被提倡用于散热等方面，在散热片中嵌入石墨烯或数层石墨烯FLG可使得其局部热点温度大幅下降∞1。故需要对其导热性能进行深入研究。纳米材料导热性的发展很缓慢，部分原因在于实验测试及纳米尺度上控制热传导存在一定的困难。具有纳米尺度高分辨率的原子力显微镜已经用于测试纳米结构的热传导，提供了一种探测纳米结构热性能的可行性方法，但纳米结构的热传输理论模拟与分析仍然处于探索中。已知的可行性方

4、法包括Fourier定律的数解，以及基于波尔兹曼Boltzmann传输方程和分子动力学Molecular—dynamics(MD)模拟的分析方法都存在各自局限性。当材料的尺寸降至纳米尺度时，温度也变得较不稳定。在平衡系统中，温度是基于材料的平均能量做出的定义，对于石墨烯等纳米系统，材料的尺寸太小，很难确定局部温度。所以不能将平衡条件下的温度概念运用于纳米材料，以至于较难进行纳米尺度的热传导的理论分析。美国加州大学一项研究显示H1，石墨烯的导热性能优于碳纳米管。普通碳纳米管的导热系数可达3000W／mK以上，各种

5、金属中导热系数相对较高的有银、铜、金、铝，而单层石墨烯的导热系数可达5300W／mK，甚至有研究表明其导热系数高达6600W／InK。优异的导热性能使得石墨烯有望作为未来超大规模纳米集成电路的散热材料旧J。与纯石墨烯相比，还原剥离氧化石墨得到热导率相对较低(0．14～2．87W／inK)的石墨烯(RGOx)一1。其导热系数与氧化石墨被氧化程度密切相关，原因是RGOx薄片即使经过热还原处理后仍然具有氧化性。导热率可能与其中残余的化学功能团、破坏的碳六元环等缺陷有关，收稿日期：2010一04一16基金项目：教育部新

6、世纪优秀人才支持计划(NCET-07-0626)；上海市科技创新行动计划(08160706900、09jcl414400)；国家高技术研究发展计划(863计划)课题(2009AA052419)。作者简介：周春玉，1986年生，女，江西九江人，在读硕士，师承张东教授，主要从事高温相变储能复合材料的研究。通讯作者：张东，1968年生，男，教授、博导，材料学专业，研究方向：功能材料。万方数据第25卷第6期周春玉等：石墨烯及其复合材料导热性能的研究现状。95·化学结构被氧化导致晶格缺陷的产生，阻止了热传导作用。各种常用

7、导热材料的导热系数如表l。表l几种常用导热材料的导热系数材料名称导热系数／W·mK。1碳材料的导热性能受材料微晶结构，组成相种类及sp2／sp3无序程度等因素的影响，且二维材料的导热系数较难测试，需测试其平面及横向阻力，几何结构等【10

8、。许欣等Hu基于经典周期热流法上设计出一种测试高导热材料导热系数的测试仪。但该装置只能测试宏观样品，不适合纳米尺寸的石墨烯导热系数的测试。Fei等¨副研究了CNT各因素如浓度、长径比、电导率各向异性、非直线性、界面阻力及电学渗流现象对复合材料导热导电性能的影响。但模型不适合研究

9、理论上的平面结构石墨烯及其复合材料导热性。Shamsa等¨o利用3w方法及瞬间“热盘”技术(TPs)研究了Si衬底上含氮超纳米金刚石导热系数的大小。该声子跳跃模型(PHM)¨3’“o主要用于估算硅衬底上具有导电性质的UNCD及MCD薄膜热阻的大小。且其待测样品尺寸较大(为微米级)。当待测平面结构的样品导热率比5灿m宽的衬底导热率至少高5倍时，要求待测样品的厚度在1斗m以上，不适于研究厚