氟化石墨烯在低固含量下賦予復合材料較高的熱導率、優異的阻燃性、電絕緣性和熱管理特性
1.成果簡介
現代電子器件不斷追求高密度、高能效和小型化，導致單位體積產生的熱量急劇增加。電子設備的有效熱管理正成為影響其進一步發展的主要挑戰。事實證明，器件表面和散熱器之間的熱傳遞不足是導致熱量難以排出的主要因素。熱界面材料（TIM）被設計為填充到器件/散熱器界面的空氣間隙中，以建立有效的熱傳導通道和優化散熱過程。理想的TIMs的基本要求是卓越的導熱性、高彈性和良好的電絕緣性。常見的TIM包括導熱脂、導熱凝膠、導熱墊、導熱膠和相變材料。它們都有或多或少的缺點，如：加工和固化困難（導熱脂和導熱凝膠）；厚度大，表面不平整（導熱墊）；導熱系數低，有可能發生泄漏（相變材料）。目前，源于聚合物的TIMs正在經歷一個快速發展的過程，因為它同時具有重量輕、成本低、電絕緣性好、靈活性高、加工方便等特點。通過與高導熱填料的復合，旨在解決內在熱導率低這一關鍵問題的研究也取得了很大進展。
盡管石墨烯基復合材料被認為是熱管理應用的理想候選材料，但其較差的電絕緣性限制了其在需要電絕緣場合的進一步應用。氟化石墨烯（FG）是一種新型的石墨烯基材料，由于其優異的電絕緣性能，吸引了研究人員的注意。近日，上海先進熱功能材料工程技術研究中心的研究團隊通過冷凍干燥和真空浸漬，構建了具有緊密堆積結構的新型氟化石墨烯氣凝膠/聚二甲基硅氧烷（FGA/PDMS）復合材料。所制造的復合材料顯示出很高的可壓縮性和優越的導熱性，熱導率在低的固含量下達到1.41 W/(m·K)，相比PDMS提高約605.6%。同時，它還保持了優良的絕緣性能，具有較低的導電率（2.0×10-9 S/cm），比石墨烯氣凝膠/PDMS低180倍。通過理論和實驗的深入研究，也驗證了該復合材料作為熱界面材料的實際優異散熱性能。此外，FGA/PDMS復合材料還表現出優異的阻燃性能。
2.圖文導讀
圖1.圖文摘要
圖2.(a)FGA/PDMS的制備過程；(b)合成氟化石墨烯的機理圖
圖3. FGA/PDMS的微觀圖像和填充示意圖
圖4. FGA/PDMS的機械性能和電絕緣性能測試
圖5. FGA/PDMS的熱物性測試
圖6. FGA/PDMS的導熱數值模擬
圖7. FGA/PDMS的阻燃性測試
3.小結
綜上所述，本工作的氟化石墨烯（FG）是通過對氧化石墨烯（GO）框架進行氟化改性而合成的。氟原子的引入改變了GO納米片的排列，并產生了一個高度多孔的結構。通過冷凍干燥過程，重疊的片狀物被展開，而多孔結構保持不變。通過真空浸漬，PDMS被引入到FGO骨架中，同時孔被填滿，得到了具有緊密堆積結構的均勻的FGA/PDMS復合材料。所制備的FGA/PDMS表現出高壓縮性和良好的電絕緣性。與純PDMS相比，它顯示出卓越的熱導率，熱導率增加了約605.6%，這歸因于完整的熱傳導網絡的形成。同時，緊密堆積的結構也顯示出TCR的降低，熱接觸電阻的溫度梯度降低了36.6%，壓力梯度降低了20.4%。通過將FGA/PDMS置于散熱器/加熱板之間，也觀察到其作為TIM的出色熱管理能力。有限元模擬結果進一步證實了這一觀點。此外，通過簡單的燃燒試驗，也觀察到FGA/PDMS具有良好的阻燃性。我們的工作設計了一種新型的FGA/PDMS復合材料，它具有良好的機械性能和電絕緣性，同時，優越的熱傳導和熱管理性能預示著它在微電子器件中的潛在應用前景，特別是在需要電絕緣的場合。
以上成果發表在中科院一區TOP期刊Composites Science and Technology上，上海第二工業大學碩士研究生張緣為第一作者，上海第二工業大學能源與材料工程學院于偉教授、李一凡博士為共同通訊作者。Title：Tightly-packed fluorinated graphene
aerogel/polydimethylsiloxane composite with excellent thermal management
properties，Composites Science and Technology 220 （2022）109302。