石墨烯增强相变材料导热性能的研究
石墨烯基复合材料的制备及性能研究
石墨烯基复合材料的制备及性能研究石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维晶体材料，具有多种优异的物理、化学和机械性质，被广泛认为是材料科学领域的革命性发现之一。
石墨烯具有极高的电子迁移率、巨大的表面积和出色的机械强度，使其成为制备复合材料的理想增强剂。
石墨烯基复合材料的制备方法有多种，其中最常用的方法之一是化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）。
CVD法通过将碳源气体（如甲烷）在高温下引入反应室中，经过化学反应生成石墨烯，并将其沉积在基底材料上。
CVD法制备的石墨烯通常为大面积单层石墨烯，具有较高的质量和较少的缺陷。
石墨烯基复合材料的性能研究是一个热门领域。
其中一个典型应用是石墨烯纳米复合材料的电子器件方面。
石墨烯的高电子迁移率和大量的自由电子使其成为理想的导电层材料，可以用于制备高性能的柔性电子器件、传感器和太阳能电池。
另外，石墨烯还可以作为增强剂用于制备高性能的复合材料。
石墨烯具有极高的拉伸强度和刚度，可以有效地增强复合材料的力学性能。
研究表明，在复合材料中引入少量的石墨烯可以显著提高复合材料的强度、刚度和耐磨性。
除了力学性能的增强，石墨烯还可以改善复合材料的导热性能。
石墨烯具有优异的热导率，能够有效地传导热量。
因此，将石墨烯引入导热性能较差的基体材料中，可以显著提高复合材料的导热性能。
这对于一些需要高导热材料的领域（如电子散热材料）具有重要意义。
此外，石墨烯还可以提高复合材料的抗腐蚀性能。
石墨烯具有较高的化学稳定性，可以有效地防止基体材料受到腐蚀。
因此，在复合材料中引入石墨烯可以增强复合材料的耐腐蚀性能，延长其使用寿命。
总之，石墨烯基复合材料的制备和性能研究是一个充满挑战和潜力的领域。
石墨烯的优异性能使其成为制备高性能电子器件和复合材料的理想材料。
未来，随着对石墨烯制备技术和性能研究的不断深入，相信石墨烯基复合材料将在各个领域展现出更多的应用前景。
石墨烯导热性能测试方法综述
石墨烯导热性能及其测试方法石墨烯按层数分类，可以分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、多层石墨烯。
单层石墨烯是指由一层六角形蜂巢结构周期性紧密堆积的碳原子构成的二维碳材料; 双层石墨烯则是由两层六角形蜂巢结构周期性紧密堆积的碳原子构成; 少层石墨烯是由3 ～10层六角形蜂巢结构周期性紧密堆积的碳原子层以不同方式堆垛(包括ABC堆垛、ABA堆垛等)而成; 多层石墨烯是指厚度在10层以上、六角形蜂巢结构周期性紧密堆积的碳原子以不同方式堆垛(包括ABC堆垛、ABA堆垛等)构成的二维碳材料。
除此之外，研究人员还以化学还原和热还原的方法制备出一种石墨烯纸。
石墨烯具有众多优异的性能，包括超高的载流子迁移率(105cm2·V－1·s－1)，是Si 的100倍; 石墨烯的弹性模量高达1TPa，抗压强度达到180GPa，是钢材的100倍。
除此之外，在热学性能方面，石墨烯也被认为是迄今为止最好的传热材料，它的热导率可以高达5000W /mK，大约是金刚石的5倍，是铜的10倍。
本文将围绕石墨烯的热学性能对最近国内外该领域的研究成果进行综述。
1石墨烯的导热机理一般采用热导率来描述一种材料的导热性能。
热导率是指在物体内部垂直于导热方向取两个相距1m、面积为1m2的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率，其单位为W /mK。
石墨烯是一种层状结构材料，其热学性质主要是由晶格振动引起的，有文献报道通过计算石墨烯内光学声子与声学声子的色散曲线，发现在石墨烯内有六种极性声子，分别为:(1)平面外的声学声子(ZA模声子)和光学声子(ZO模声子) ;(2)平面内横向声学声子(TA模声子)和横向光学声子(TO模声子);(3)平面内的纵向声学声子(LA模声子)和纵向光学声子(LO模声子)。
研究人员通过研究声子的弛豫时间以及弛豫时间随波矢、频率和温度的变化关系发现，声学声子对热导率的贡献可高达95%。
石墨烯增强陶瓷基复合材料的制备与性能研究
石墨烯增强陶瓷基复合材料的制备与性能研究石墨烯作为一种二维晶体材料，具有优异的力学性能、导电性能和热传导性能，在复合材料领域中具有广泛的应用前景。
石墨烯增强陶瓷基复合材料由于其独特的性能组合，被广泛研究和应用于高性能材料制备。
一、石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法多种多样，例如机械剥离、化学气相沉积、化学剥离等。
在石墨烯增强陶瓷基复合材料的制备中，一般采用机械剥离的方法来获得高质量的石墨烯。
机械剥离通过在石墨表面施加剪切力，将石墨逐渐剥离成单层的石墨烯。
然后，通过化学处理和物理分离的方法获得纯净的石墨烯材料。
这种制备方法简单、成本低，并且可以大规模生产石墨烯。
二、石墨烯增强陶瓷基复合材料的制备石墨烯增强陶瓷基复合材料的制备主要包括石墨烯的分散和烧结过程。
首先，将得到的石墨烯进行分散处理，以获得均匀分散的石墨烯分散液。
常用的分散剂有聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇等。
然后，将陶瓷基体与石墨烯分散液混合均匀，形成石墨烯/陶瓷基复合材料的预制坯体。
最后，通过热压烧结或热等静压等方法对预制坯体进行高温处理，使其烧结成致密的石墨烯增强陶瓷基复合材料。
三、石墨烯增强陶瓷基复合材料的性能研究石墨烯的加入可以显著提升陶瓷基复合材料的力学性能和热传导性能。
石墨烯具有超高的强度和刚度，可以有效增强陶瓷基体的强度和硬度。
同时，石墨烯的高导热性能可以提高陶瓷基复合材料的导热性能，使其能够更好地在高温环境下工作。
此外，石墨烯的高导电性能也使得复合材料具有优异的导电性能，可以应用于电子器件等领域。
四、石墨烯增强陶瓷基复合材料的应用前景石墨烯增强陶瓷基复合材料在航空航天、汽车制造、电子设备等领域有广阔的应用前景。
例如，在航空航天领域，石墨烯增强陶瓷基复合材料可以用于制造航空发动机叶轮和航天器的结构件，以提高其耐高温、高压和高速工作的能力。
在汽车制造领域，石墨烯增强陶瓷基复合材料可以用于制造汽车零部件，提高汽车的耐磨性和耐用性。
在电子设备领域，石墨烯增强陶瓷基复合材料可以用于制造高性能的电子封装材料，提高电子器件的工作效率和可靠性。
聚合物纳米石墨烯复合材料导热性能研究进展
聚合物纳米石墨烯复合材料导热性能研究进展符博支;高洋洋;冯予星;赵秀英;卢咏来;张立群【摘要】集成电路伴随着电子、航天和航空领域的发展而快速发展,但往往伴随着散热困难的问题,影响着使用效率和仪器寿命.从质量、耐蚀性、加工工艺和成本等方面考虑,聚合物复合材料是导热材料中最具发展前景的材料.然而聚合物固有的导热率非常低,因此,提高聚合物的导热率对于其在这些领域的应用显得非常重要,这在过去的20年中已经成为一个非常重要的研究课题.主要从以下两个方面进行介绍:(1)从分子链形态、链结构和链间耦合3个方面分析总结了聚合物的微观导热机理;(2)重点介绍近年来石墨烯填充聚合物纳米复合材料导热性能的主要研究进展以及未来的研究挑战.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2019(050)008【总页数】11页(P8065-8075)【关键词】导热;石墨烯;聚合物复合材料【作者】符博支;高洋洋;冯予星;赵秀英;卢咏来;张立群【作者单位】北京化工大学材料科学与工程学院,北京市新型高分子材料制备与加工重点实验室,北京 100029;北京化工大学北京市先进弹性体工程技术研究中心,北京 100029;北京化工大学材料科学与工程学院,北京市新型高分子材料制备与加工重点实验室,北京 100029;北京化工大学北京市先进弹性体工程技术研究中心,北京100029;北京化工大学材料科学与工程学院,北京市新型高分子材料制备与加工重点实验室,北京 100029;北京化工大学材料科学与工程学院,北京市新型高分子材料制备与加工重点实验室,北京 100029;北京化工大学北京市先进弹性体工程技术研究中心,北京 100029;北京化工大学材料科学与工程学院,北京市新型高分子材料制备与加工重点实验室,北京 100029;北京化工大学材料科学与工程学院,北京市新型高分子材料制备与加工重点实验室,北京 100029;北京化工大学北京市先进弹性体工程技术研究中心,北京 100029【正文语种】中文【中图分类】TQ3320 引言相比于金属和陶瓷材料，聚合物具有高柔性以及易加工等优点，因此被广泛应用于电子封装材料和电子设备的热界面材料中，而在这些电子行业的应用中，聚合物的低导热率成为主要的技术障碍之一[1-4]。
石墨烯在聚合物改性中的研究进展
石墨烯在聚合物改性中的研究进展
石墨烯是一种由碳原子组成的二维薄片材料，具有极高的导热性、高强度和优异的电
子特性。
石墨烯被广泛应用于聚合物材料的改性中。
石墨烯与聚合物的结合可以通过物理混合、化学修饰或共聚合等方法实现。
物理混合
是最简单的方法，通过将石墨烯纳入聚合物基体中，可以显著改善聚合物的导热性能。
物
理混合的方法存在石墨烯分散性差、聚合物基体与石墨烯之间相互作用弱等问题，限制了
其应用。
石墨烯在聚合物改性中的应用有着广泛的研究领域。
石墨烯可以用于改善聚合物的导
热性、机械性能和电学性能。
将石墨烯引入聚合物基体中可以显著提高聚合物的导热性能，用于制备高导热性材料。
石墨烯还可以提高聚合物材料的强度和刚性，用于制备高强度材料。
石墨烯在聚合物改性中还可以应用于电学和光学领域。
石墨烯具有优异的电导率和光
学透明性，可以用于制备导电聚合物材料和柔性光电器件。
石墨烯可以用于制备导电聚合
物复合材料，用于制备柔性传感器和导电薄膜等。
虽然石墨烯在聚合物改性中具有广阔的应用前景，但目前仍存在一些挑战。
石墨烯的
制备方法需要进一步完善，以提高石墨烯的质量和纯度。
石墨烯与聚合物之间的相互作用
机制还需要进一步研究，以优化石墨烯与聚合物的结合方式。
石墨烯的成本也是一个问题，需要进一步降低成本，以便大规模应用。
二维石墨烯片增强芒硝基复合相变材料导热性研究
二维石墨烯片增强芒硝基复合相变材料导热性研究蒋自鹏;铁生年【期刊名称】《人工晶体学报》【年(卷),期】2016(45)7【摘要】探究了二维石墨烯片(GNPs)对复合相变材料导热性的影响,以芒硝基复合相变材料(SCNa)为原料,制备出石墨烯片增强芒硝基复合相变材料(SCNaG)。
探讨了GNPs添加量对SCNa相变材料导热率的影响,并对其过冷机理进行了讨论。
结果表明:复合相变材料导热系数随着GNPs添加量呈线性增加,当GNPs=0wt%时,相变材料导热系数为0.854 W/(m·K);当GNPs=3wt%时,相变材料导热系数为1.405 W/(m·K);随着GNPs添加量的增大相变材料过冷度先减小后增大,当GNPs=0.5wt%时,过冷度低于纯SCNa相变材料,为2.5℃,当GNPs=3wt%时,过冷度增大至10.9℃。
GNPs的添加量对相变材料相变温度影响不大,相变潜热略有减小。
【总页数】7页(P1820-1825)【关键词】芒硝基复合相变材料;二维石墨烯片;导热系数;有效介质模型;过冷度【作者】蒋自鹏;铁生年【作者单位】青海大学新能源光伏产业研究中心【正文语种】中文【中图分类】TB332;O614.112【相关文献】1.超声振动对石墨烯微片/聚丙烯复合材料导电导热性能的影响机制 [J], 何穗华;洪新密;肖小亭;张婧婧;陈宇强2.石墨烯微片的尺寸和形态对聚丙烯基纳米复合材料导电导热性能的影响 [J], 余浩斌;张婧婧;何穗华;杨涛3.PBT/石墨烯微片复合材料的导热性能和力学性能 [J], 陶国良;魏晓东;夏艳平;帅骥;林惜晨4.改性氧化石墨烯包覆的双增强相变复合填料的制备及其导热性能 [J], 冯静;刘占军;张东卿;何钊;陶则超;郭全贵5.石墨烯季戊四醇相变复合材料导热性能的分子动力学研究 [J], 宫薛菲; 杨启容; 姚尔人; 刘亭; 官云许; 张远因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
石墨烯及其复合材料导热性能的研究现状
可使石墨烯与 S i衬底的热耦合作用很小。所以 热波在石墨烯悬空部分上产生后向散热片扩散。
经多次试验将实验中的激光波长选择为 488nm。
SLG 上的热扩散具体模式不明确, 其取决于
薄片及其边界形状。径向热流从两个方向向沟
槽边缘传输, 即从悬空薄片的中间部分向其边界
传播及平面波从两个相反方向向沟槽边缘传播。
碳材料
GTS( 导热石墨片 ) CNT ( s) 金刚石 石墨烯
1500~ 1700 3000~ 3500 1000~ 2200 4000~ 6600
其它
硅胶
1~ 3
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] 。
的热传输理论模拟与分析仍 然处于探索中。已 知的可 行性方法包括 F ourier定律的数解, 以及 基于波尔兹曼 Bo ltzm ann传输方程和分子动力学 M o lecular dynam ics ( 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。
到石墨烯片中间部分温度的 升高。在距离沟槽
边缘 9~ 10 m 处的大尺寸石墨片在测试模型中
96 充当散热片。
材料开发与应用
2010年 12月
图 1 单层石墨烯导热系数的非接触光学测试模型
由于使用的是低功率激光, 所以散热片温度 在实验过程中保持恒定。部分悬空石墨烯的微
石墨烯基材料的导热性能研究
石墨烯基材料的导热性能研究石墨烯是一种由碳原子组成的单层薄片，拥有很多出色的性能特点，其中之一便是其惊人的导热性能。
导热性能是指材料在受热时能够高效地传递热量的能力。
本文将探讨石墨烯基材料的导热性能及其研究进展。
石墨烯的导热性能主要归功于其特殊的晶格结构。
它是由一个个六角形碳原子构成的，每个碳原子与其周围的三个碳原子形成共价键。
这种结构使得石墨烯在平面方向上具有极高的电子迁移率和热传导率。
研究表明，石墨烯的导热性能比铜还要好。
为了更好地理解石墨烯的导热性能，许多研究人员将其应用于各种基材中，并进行了一系列的热传导实验。
例如，研究人员将石墨烯与聚合物基材混合，在制备出的复合材料中研究导热性能。
通过实验发现，石墨烯的加入显著提高了聚合物基材的导热性能，使其成为潜在的热界面材料。
除了聚合物基材，石墨烯也可以与金属基材相结合，形成石墨烯复合金属材料。
这种复合材料不仅具有石墨烯的导热性能，还保持了金属的机械强度。
这使得石墨烯复合金属材料在热管理领域具有广泛的应用前景。
例如，可以将其用于高能量密度电池的散热系统，以提高电池的性能和寿命。
在石墨烯基材料的导热性能研究中，研究人员还发现了一些有趣的现象。
例如，当石墨烯的厚度减小到几纳米量级时，其导热性能会显著下降。
这是因为薄层石墨烯中的热传导主要依赖于声子传导，而不是电子传导。
随着厚度的减小，声子传导受到了更多的散射，导致导热性能下降。
除了厚度，石墨烯的结构缺陷也会对其导热性能产生影响。
例如，氧化石墨烯中的碳原子上带有氧原子会导致导热性能下降。
这是因为氧原子会干扰石墨烯中的电子传导，限制热量的传递。
因此，在应用石墨烯进行导热性能研究时，研究人员需要考虑这些结构因素对结果的影响。
为了进一步提高石墨烯基材料的导热性能，研究者们正在寻找各种途径。
其中一种方法是通过控制石墨烯的形貌来改变其导热性能。
例如，研究人员通过单层石墨烯的折叠或堆叠来形成多层石墨烯纳米带，发现这种结构在导热性能方面具有优越性能。
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1 研究背景及意义
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道 组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子 厚度的二维材料。
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特性：导热性好(5000W/ (m〃K))，比表面积大 (2630m2/g)，载流子浓度高达1013/cm2等特点
1 研究背景及意义
针对单一的相变材料不能满足相变储能所需的全 部性能。有机相变材料的低传热性、固液相变中易 泄漏性，而多孔介质吸附法中相变潜热较小等缺陷 。
1 研究背景及意义
分类
固液相变材料 相变材料
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固固相变材料
有机相变材 料 高级脂肪烃 、脂肪酸或 醇类、芳香 烃类、芳香 酮类、酰胺 类、多羰基 碳酸类、高 密度聚乙烯 、聚乙二醇 等
无机相变材 料 结晶水合盐 类、熔融盐 类、金属或 合金类、 Na2SO4· 10H2 O、 CaCl2· 6H2O MgCl2· 6H2O
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2.1 石墨烯的制备
石墨烯氧化物的制备
• Hummers法 • Brodies法 • Staudenmaier法 • 超声剥离 • 热膨胀
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氧化
石墨粉 石墨氧化物
剥离
石墨烯氧化物
用无机强质子酸处理石 墨，将强酸小分子插入 石墨层间，再用强氧化 剂对其进行氧化。
超声波在悬浮液中疏密相间地辐射，使液 体流动而产生数量众多的微小气泡，产生 “空化 " 效应，气泡闭合可形成超过 1000 个 大气压的瞬间高压，连续不断产生的高压 就象一连串小“爆炸"不断地冲击石墨氧化 物，使石墨氧化物片迅速剥落生成单层石 墨氧化物
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加入氨水调节 PH为9~11
用甲醇和去离子 水过滤，洗涤
加热到80℃ 恒温24h
加入 0.132ml 水合 肼(80 wt％)溶液
冷冻干燥
石墨烯（ RGO）
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2.1 石墨烯的制备
2）水热法制备石墨烯气凝胶工艺工程：
氧化石墨烯 12h 170℃
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石墨烯增强相变材料导热性能的研究
从v
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内容
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研究背景及意义 材料制备工艺 结果与讨论 总结
1 研究背景及意义
能源的日益短缺使提高能源使用效率和开发利用可再 生能源成为函待解决的世界性问题。太阳能是可再生能 源，但太阳能能源密度低、能量分布不均匀，因此使用 太阳能时通常用热能存储装置吸收并存储白天多余的热
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适用温度范围广，无过 导热性能较低，单位体 冷和相分离，结晶速率 积蓄热能力差， 容易挥 有机相变材料 高，化学性能稳定，循 发、燃烧，被空气缓慢 环利用性强，安全无毒， 氧化而老化，成本比无 腐蚀性小。 机相当较高。 无机相变材料 单位体积蓄热强，成本 相变时有过冷和析出的 低，导热系数高，熔解 现象， 相变体积变化较 热比较高，不易燃烧， 大。 有明确的熔点。
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量并在夜间释放出来。相变过程是一种伴随有较大热量
吸收和释放的等温或接近等温过程，相变潜热一般较大 ，因此相变材料的蓄放热特性可在建筑供暖中发挥较高 的应用价值。
1 研究背景及意义
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相变储能：依靠相变材料（Phase change material）在发生
相变的过程中，吸收环境的热量，并在需要时向环境放出热 量，从而达到控制周围环境温度的目的。
共晶混合 物 多元醇类 NPG、 PE、 TAM
无机盐类
多元醇类
有机高分 子 交联聚烯烃 类、交联聚 缩醛类、纤 维素接枝、 聚醋类接枝 、聚苯乙烯 接枝、硅烷 接枝共聚物
层状钙 钛矿类 KHF NH4SCN
季戊四醇 新戊二醇 三羟甲基 丙烷 三羟甲基 氨基甲烷
1 研究背景及意义
分类
优点 缺点
升温至95°C
搅拌 0.5h
加入140ml去离子 水稀释
加入20ml 30%的 H2O2 搅拌10min
氧化石墨烯 （GO）
60°C真氧 化石墨烯空 干燥
用稀HCl和去离子水洗涤， 离心
15
2.1 石墨烯的制备
1）水合肼对氧化石墨烯进行还原，具体工艺工程 ：
100 mg GO + 100 mL去离子水 超声2h 1mg/ml氧化石墨烯分散液
2.1 石墨烯的制备
Hummers法制备氧化石墨烯，具体过程如下：
23ml浓 H2SO4(98%) 冷却至 5°C以下 加入1g鳞片石 墨 加入 0.5gNaNO3
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超声0.5h 缓慢加 46ml去离子水 超声0.5h 搅拌 升温至35°C 左右 控温10°C 以内 搅拌2h 关闭超声后 缓慢加入 3gKMnO4
1 研究背景及意义 相变材料在建筑中的应用
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1 研究背景及意义 石蜡
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Advantages •相变潜热高 •相变温度范围广 •无过冷现象 •化学稳定性较好 •没有相分离和腐 蚀性 •价格低……
Disadvantages •热导率低 •易泄漏
1 研究背景及意义
Materials Graphite Carbon black Carbon nanotube Graphene Diamond PAN-based carbon fibre Pitch-based carbon fibre Copper Silver Gold Aluminum Nickel Aluminum nitride Beryllium oxide Aluminum oxide Thermal Conductivity at 25℃(W/m· K) 100~400 (on plane) 6~174 2000~3500 4840-5300 2000 8~70(along the axis) 530~1100(along the axis) 483 450 345 204 158 200 260 20~29
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本研究的主要目的以有机相变材料为原料，针对 以上缺陷，通过加入氧化还原法制备的石墨烯，采 用特定工艺制成石墨烯复合相变材料，使其具有良 好的导热性和热稳定性。
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内容
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研究背景及意义 材料制备工艺 结果与讨论 总结
2 材料制备工艺
2.1 石墨烯的制备 1）水合肼还原制备石墨烯 2）水热反应2 石墨烯复合相变材料的制备