太原理工大学 Poly. Comp.|通过模板辅助构建三维石墨烯网络增强环氧聚合物的导热性
文献分享|通过模板辅助构建三维石墨烯网络增强环氧聚合物的导热性
DOI：10.1002/pc.70785
通讯作者：高洁副教授，张卫珂副教授，于盛旺教授
研究背景
现代电子设备向小型化、集成化及高功率密度发展过程中对热管理材料提出的迫切需求。环氧树脂因其优异的耐腐蚀性、低收缩率、易加工性和成本效益而被广泛应用于电子封装领域，但其本征导热系数过低严重限制了在高热流密度场景下的应用。传统通过直接混合高导热填料（如金属、陶瓷或碳材料）的方法虽能一定程度提升导热性能，但往往需要极高的填充量（>50 vol%），导致机械性能下降、加工困难且成本激增，且难以形成有效的三维连续导热网络。
创新点
该研究采用牺牲性NaCl模板法成功构建了无聚合物粘合剂的三维连续石墨烯网络结构，通过优化模板粒径（100–200目）和石墨烯质量分数（24.32 wt%），在环氧树脂基体中形成了均匀的蜂窝状导热通路。该方法显著降低了填料间的界面热阻，使复合材料在较低填充量下实现了较高的垂直方向导热系数，较纯环氧树脂提升近20倍。研究还通过加热平台测试、水冷实验结合有限元模拟多维度验证了材料在实际工况下的高效散热性能。
图文速览
图1 三维石墨烯网络的石墨烯/环氧树脂复合材料制备工艺示意图
图2 石墨烯、石墨烯/氯化钠混合物及三维石墨烯网络的扫描电镜图像：(a) 原始多层石墨烯；(b, b1) 随机研磨的氯化钠颗粒及对应石墨烯骨架结构；(c, c1) 100目以下氯化钠模板及形成构架；(d, d1) 100-200目模板及优化蜂窝状网络；(e, e1) 200目以上模板及水平定向排列结构
图3 使用100-200目氯化钠颗粒、在石墨烯质量分数为(a)9%、(b)15%、(c)21%和(d)27%条件下制备的三维石墨烯骨架的横截面形貌与孔径尺寸
图4 （a）纯环氧树脂（EP）及使用100-200目氯化钠颗粒为模板制备的不同石墨烯（Gr）质量分数复合材料的横截面形貌：（b）11 wt%、（c）15 wt%、（d）19 wt%、（e）21 wt%、（f）23 wt%
图5 （a）石墨烯/氯化钠、（b）石墨烯及（c）石墨烯/环氧树脂复合材料的样品图像与横截面扫描电镜-能谱元素分布图
图6 （a）石墨烯的红外光谱图；（b）不同气氛下环氧树脂及石墨烯/环氧树脂复合材料的热重分析曲线；（c）不同质量分数石墨烯/环氧树脂复合材料的X射线衍射图谱与（d）拉曼光谱
图7 （a）石墨烯/环氧树脂复合材料在25°C下的导热系数随石墨烯质量分数的变化关系；（b）石墨烯质量分数为19%-25%的复合材料在不同测试温度下的导热系数变化曲线
图8 （a）纯环氧树脂与不同石墨烯质量分数的石墨烯/环氧树脂复合材料在100°C加热过程中的红外热成像图；（b）所有样品的表面温度随时间变化曲线
图9 （a）自制水冷装置示意图；（b）纯环氧树脂与石墨烯/环氧树脂复合材料（19-25 wt%）在不同施加电压（4V、6V、8V、10V）及流速（0与60 mL/min）条件下记录的红外热成像图；（c）纯环氧树脂、无序分布石墨烯/环氧树脂及三维石墨烯网络/环氧树脂复合材料的热传导机理示意图
图10 通过有限元模拟计算的热传导过程示意图：（a）纯环氧树脂（EP）、（b）随机分布石墨烯/环氧树脂复合材料、（c）三维石墨烯网络/环氧树脂复合材料
图11 通过纳米压痕测试测得的环氧树脂（EP）与石墨烯/环氧树脂复合材料力学性能：（a）载荷-位移曲线；（b）弹性模量与硬度的对比分析
