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热管理和电磁干扰屏蔽双功能材料—— 3D多壁碳纳米管/石墨烯/硅橡胶弹性体

来源:石墨烯联盟|

发表时间:2021-07-13

点击:2004

在上述碳质材料中,石墨烯具有sp2键合的六方碳晶格和离域共轭π电子结构,为声子传递和电子传递提供了快速通道,形成了优异的面内导热和导电性。因此,石墨烯基具有理想导热性能和EMI屏蔽效果(SE)的双功能材料得到了广泛的研究。然而,由于石墨烯片层的重新堆积,对纯石墨烯的热导率和EMI SE的提高效率受到了限制。研究发现,石墨烯与其他材料如碳纤维、CNTs和金属纳米颗粒结合,可以在较低的填充量下构建长范围的导热路径,从而使所获得的复合材料具有优良的热、电和力学性能。特别是对于CNTs填料,其独特的一维(1D)管状纳米结构不仅提供了丰富的导热途径,而且为电磁波散射提供了众多的极化位点。然而,由于填料在复合材料中的分散或团聚不均匀,未能充分利用其优异的固有性能,导致复合材料的导热增强效率较低。


近日,中国科学院山西煤炭化学研究所姜东、陈成猛等相关研究人员采用KOH诱导水热反应,在2800℃下石墨化制备了具有3D连续网络的各向异性石墨烯/多壁碳纳米管。当氧化石墨烯与多壁碳纳米管的比例为 1:3 时,实现了水平方向 sp2 微晶尺寸的减小与乱层堆积的增强之间的平衡,有利于声子转移和电子传输。在 2.77 wt.% 的低负载量下,复合材料的最佳导热系数可达 1.30 W m-1 K-1,比纯硅橡胶(0.23 W m-1 K-1)高 465%。同时,该复合材料在K波段表现出42 dB 的最大电导率和电磁干扰屏蔽效率。而且还保留了矩阵的灵活性。为轻质双功能集成材料的研制奠定了基础。相关研究结果以" Dual-functional 3D multi-wall carbon nanotubes/graphene/Silicone Rubber Elastomer: Thermal Management and Electromagnetic interference shielding "为题,发表在 Carbon 上。


图文导读


图1 (a) rGOCA和GCA气凝胶及其复合材料制备示意图。(b)氧化石墨烯和多壁碳纳米管不同质量比的GCAs光学图像。(c) 超轻的重量(ρ= 0.0322g cm-3)的GCA3(GO与MWCNTs的比例为 1:3 )立在蒲公英上。


图2 (a)加热和(b)冷却(10s、30s和120s)过程中SR、GA/SR和GCA3/SR的红外热像图 (c)复合材料的平行热导率和垂直热导率。


图3 (a) 所有样品的电导率。所有样品在 K 波段的 (b) SET、(c) SER 和 (d) SEA 的比较


总结


综上所述,通过KOH诱导水热反应和石墨化工艺制备了具有高取向结构的轻质3D石墨烯/MWCNTs气凝胶。探讨了多壁碳纳米管对气凝胶结构的影响,其中随着多壁碳纳米管含量的增加,气凝胶中La含量降低,乱层堆叠增强。基于La和乱层堆积之间的平衡,当GO与MWCNTs的比例为1:3时,复合材料的最佳导热系数为1.3 W m-1 K-1,电导率为7.65 S m-1。同时,多壁碳纳米管的掺入促进了欧姆损耗和极化能力。特别是对于GCA3/SR,它在k波段显示了42 dB的出色EMI SE。此外,GCA/SR复合材料仍然具有良好的柔韧性。这一结果为柔性电子设备的下一代多功能应用铺平了道路。

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