【摘 要】
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高导热碳基复合材料具有高导热、低热膨胀性和耐高温性能,是构建高效散热体系的重要材料。碳材料的热导率(k)取决于其晶体或结构取向性,一维(1D)纳米管和二维(2D)石墨烯呈现出明显的导热各向异性。其中sp2杂化碳原子允许声子通过沿管轴或平面方向定向的晶格传输,从而产生高平面热导率(k_∥)。然而,声子在垂直于管轴或晶格平面的方向上会发生严重的散射,导致垂直方向热导率(k_⊥)比轴向或平面方向的k_∥
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高导热碳基复合材料具有高导热、低热膨胀性和耐高温性能,是构建高效散热体系的重要材料。碳材料的热导率(k)取决于其晶体或结构取向性,一维(1D)纳米管和二维(2D)石墨烯呈现出明显的导热各向异性。其中sp~2杂化碳原子允许声子通过沿管轴或平面方向定向的晶格传输,从而产生高平面热导率(k_∥)。然而,声子在垂直于管轴或晶格平面的方向上会发生严重的散射,导致垂直方向热导率(k_⊥)比轴向或平面方向的k_∥低一个或两个数量级。因此,优化3D复合结构是提高k_⊥重要方法之一。本文制备了具有高k_⊥的3D石墨烯包覆-碳纳米管阵列(VACNTs)/石墨(GT)多级复合材料。通过化学气相沉积(CVD)法在膨胀石墨(EG)层间均匀生长不同长度的VACNTs获得VACNTs-EG复合体,选择尺寸为100μm氧化石墨烯(GO)对VACNTs-EG表面进行包覆,在此基础上进行高温热压,制备3D有序复合材料。层间包覆能有效提高结构在垂直方向的稳定性,因此在垂直平面方向形成1D有序阵列,实现有效的纵向热传导。通过VACNTs的长度和还原氧化石墨烯(r GO)包覆的协同效应来控制复合材料的导热性能。在相对较低的密度(1.67g/cm~3),r GO-VACNTs/GT复合材料的最高k_⊥为32.96 W/m K,比VACNTs/GT(20.1 W/m K;密度=1.85 g/cm~3)高60%。观察有限元分析以及红外热像仪测试结果表明3D有序复合材料可以实现纵向方向上的快速热疏导。利用激光诱导的热致变色器件验证了r GO-VACNTs/GT复合材料在整体结构范围内具有良好的导热性。以上研究结果显示,兼具3D复合结构高k_⊥的r GO-VACNTs/GT有望用于高效散热体系。
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