石墨烯填充高导热塑料研究进展

高导热塑料因其良好的加工性能、低廉的价格以及优异的导热性能而在变压器电感、电子元器件散热、特种电缆、电子封装、导热灌封等领域大放异彩。以石墨烯为填料的高导热塑料能够满足热管理、电子工业中高密度、高集成度组装发展的要求。

随着工业生产和科学技术的发展，人们对导热材料也提出了更高的要求。具有优良导热性能的陶瓷、金属等材料，由于其电绝缘性和加工性能较差、成本高，已经难以适应现代技术发展的需求。因此，开发新型导热复合材料已经成为当前研究的热点。

高导热塑料因其良好的加工性能、低廉的价格以及优异的导热性能而在变压器电感、电子元器件散热、特种电缆、电子封装、导热灌封等领域大放异彩。近年来，导热塑料愈来愈受到重视，其应用领域亦不断拓展。


以石墨烯为填料的高导热塑料能够满足热管理、电子工业中高密度、高集成度组装发展的要求。例如纯聚酰胺6(PA6)的热导率为0.338 W/(m?K)，当填充50%的氧化铝时，复合材料的热导率为纯PA6的1.57倍；当添加25%的改性氧化锌时，复合材料的热导率比纯PA6提高了3倍；而当添加20%的石墨烯纳米片时，复合材料的热导率达到4.11 W/(m?K)，比纯PA6提高了15倍以上，这展示了石墨烯在热管理领域的巨大应用潜力。

1.1 石墨烯的制备
 自从Andre Geim和Konstantin Novoselov于2004年首次采用“微机械分离法”获得石墨烯以来，已有很多方法被用来制备石墨烯。这些制备方法按制备思路可以分为两大类：(1)自下而上地在限定的基底上利用小分子碳源原位生长出石墨烯；(2)自上而下地以石墨为原料，横向剥离，如机械剥离法、液相剥离法和氧化还原法等。其具体制备方法如表1所示。

低维碳纳米材料，如石墨烯和碳纳米管等，具有高达3 000~6 000 W/(m?K)的热导率。Balandin等依据激光激发功率测得的拉曼G峰频率和独立测量的G峰温度系数得出单层石墨烯的室温热导率高达5 300 W/(m?K)，明显高于碳纳米管(3 000~3 500 W/(m?K))和金刚石，是室温下铜热导率(约为400W/(m?K))的10倍多。

Seol等将石墨烯放置在二氧化硅基底上，此时石墨烯与基底的相互作用会造成声子散射，其热导率降至600 W/(m?K)，但仍高于工业中广泛使用的金属铜(400 W/(m?K))。事实上，石墨烯不可避免会有缺陷，比如结构缺失和边缘粗糙，而这些缺陷的存在会影响石墨烯的导热性能。

二、石墨烯/聚合物复合材料的制备及其导热性能

传统石墨烯/聚合物复合材料的制备方法包括溶液混合法和熔融共混法，而在化学改性方面应用较多的还有原位聚合法、乳液混合法、层层自组装技术(LbL)等。

研究发现，与熔融共混法相比，溶液混合法能将石墨烯更好地分散在聚合物基体中。这种方法因其分散效果好、制备速度快以及能够很好地控制各成分的状态而得到了广泛的应用；但该方法需要使用有机溶剂，会对环境造成不良影响。

熔融共混中由于分别制备石墨烯和聚合物，因此石墨烯的尺寸与形态可控，但是石墨烯在聚合物基体中集聚而不易分散，并且与聚合物的界面作用较差。Yu等采用熔融共混法制备了石墨烯/PA6复合材料，结果表明，采用该法可将石墨烯均匀地分散于PA6中，确保复合材料中石墨烯与PA6界面的良好微观界面接触。

原位聚合法是将石墨烯与聚合物单体混合，然后加入催化剂引发反应，最后制得复合材料。Hu等通过将GO分散于二甲基乙酰胺(DMAC)中进行功能化处理，使其能够更好地分散于有机溶剂，再通过原位聚合法合成GO/聚酰亚胺纳米复合材料。

乳液混合法则利用了经表面改性的石墨烯在水中的良好分散性，将其分散液与聚合物乳液混合，然后通过还原制备石墨烯/聚合物复合材料。

层层自组装技术(LbL)在制备高强超薄薄膜、细胞膜和高强涂料方面很有优势。该技术能够精确地调节石墨烯/聚合物界面，使石墨烯得到良好分散。Zhao等通过LbL技术制备了聚乙烯醇(PVA)和GO的多层薄膜，然后通过浸渍辅助沉积法制备了高度取向的超薄多层纳米片层，其机械强度较之聚合物基体显著提高。

3.1 石墨烯添加量


Yu等研究了环氧树脂(EP)基石墨烯复合材料的热导率，结果发现石墨烯(4层左右)填充比达到25%(体积分数)时可使EP的热导率提高约30倍，达到6.44 W/(m?K)，而传统导热填料则需要70%(体积分数)的填充量才能达到这个效果。

对于多层石墨烯，Ghosh等测量了1~10层石墨烯的热导率，发现当石墨烯层数从2层增至4层时，其热导率从2 800 W/(m?K)降至1 300 W/(m?K)。由此可见，石墨烯的导热性能随层数的增加有逐渐降低的趋势。

3.3 基体种类

Yu等采用机械共混法制备了石墨烯/PA6复合材料，其中当石墨烯体积分数为20%时，复合体系的热导率达到4.11 W/(m?K)，比纯PA6提高了15倍以上。环氧树脂EP具有优良的电绝缘性、黏结性和物理力学性能，基于EP的导热胶黏剂主要用于黏结强度要求较高的电子设备和大规模集成电路的封装。Yu和Remash等将石墨烯片层和EP复合，研究发现，当填料体积分数为25%时，复合材料的热导率可达6.45 W/(m?K)。Yu等将由不同浓度石墨烯片层堆积的石墨纳米片添加到EP中并测试其导热性能，研究发现，当石墨烯体积分数为5%时，复合材料的热导率比普通聚合物高4倍，而当石墨烯体积分数增至40%时，复合材料的热导率则提升了20倍。

Yu等报道了氧化石墨烯(GO)膜的面内和垂直于面方向的热扩散率和热导率，研究发现垂直于面方向的热导率比面内热导率低一个数量级，显示出明显的各向异性。这主要是由于GO膜间的接触热阻和GO本身的低热导率造成的。Liang等检测了通过真空过滤法得到的定向排列功能化多层石墨烯的热导率，其数值高达75.5 W/(m?K)。由此可见，石墨烯的定向垂直堆积能够很好地提高其热导率。

3.5 界面阻力和界面耦合强度

Hung等研究发现，在石墨烯纳米片层与聚合物基体之间的界面上存在热阻，对纳米复合材料的能量传输产生很大的影响。对石墨烯纳米片层进行硝酸预处理可改善复合材料界面黏结效果，进而提高复合材料的导热性能。Teng等使用聚芘将石墨烯非共价键功能化，不仅改善了其在EP基体中的分散，而且与EP形成共价键，进一步形成交联结构，使界面耦合强度提高，其中当填料含量为3%时，该复合材料的热导率可达0.518 W/(m?K)，比一般石墨烯/EP复合体系提高了20%。

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