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新聞資訊
氧化石墨烯掺杂的电纺聚酰亚胺基石墨纳米纤维的导热性能

高导热炭材料兼具高导热性和耐温耐腐蚀特性,在航空航天和微电子领域的热管理中应用广泛。受益于牢固结合的碳原子和高度有序的晶格排列,高导热炭材料的面内热导率可以达到2300 W/(m·K)。常见的高导热炭材料主要有聚丙烯腈基炭材料、中间相沥青基炭材料和聚酰亚胺基炭材料。聚酰亚胺基炭材料是由聚酰亚胺经炭化、石墨化处理得到,具有高结晶性、高取向性和较少的晶格缺陷,热导率可以达到1800 W/(m·K)。聚酰亚胺基炭材料是一种具有巨大产业化价值的新型炭材料,提高聚酰亚胺基炭材料的热导率具有广阔的应用前景。


图1 GO/PI基石墨纳米纤维的制备流程


清华大学杜鸿达教授,在《新型炭材料》(New Carbon Materials)发表研究论文“Thermal conductivity of graphite nanofibers electrospun from graphene oxide-doped polyimide”。如图1所示,作者将氧化石墨烯(GO)分散在 N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)中,以均苯四甲酸二酐(PMDA)和二氨基二苯醚(ODA)为单体聚合成聚酰亚胺(PI)的前驱体溶液,通过静电纺丝得到平行取向的纳米纤维薄膜,经热亚胺化制得聚酰亚胺纤维,再经炭化和石墨化,PI纤维转化为石墨纤维。



图2 (a)GO/PI纳米纤维的FT-IR光谱图;(b)不同GO浓度的GO/PI纳米纤维的分子链取向度;(c)GO/PAA溶液电导率随GO浓度的变化图


如图2所示,通过偏振红外光谱仪测试,发现随着GO添加量的提高,PI纤维的分子链取向度逐步提高,取向度在0.1%GO添加量达到最大值。这是由于GO通过提高静电纺丝溶液电导率,增大了纤维在静电纺丝过程中的拉伸程度,从而提高了分子链取向度。


图3 (a)GO/PI石墨纳米纤维的XRD图谱;(b)石墨化度和平均晶格尺寸随GO浓度的变化图;(c)GO/PI石墨纳米纤维的拉曼图谱;(d)ID/IG随GO浓度的变化图


如图3所示,GO/PI石墨纳米纤维的XRD图谱显示(002)峰峰位发生右移,经计算,发现GO的添加提高了石墨纤维的石墨化程度和平均晶格尺寸。这是因为GO促进了PI的石墨化过程。GO/PI石墨纳米纤维的拉曼光谱显示D峰随着GO的添加逐渐减小,表明了石墨微晶的缺陷逐渐减少。


图4 (a) GO/PI石墨纳米纤维在不同测试温度下的热导率;(b) GO/PI石墨纳米纤维的平均热导率随GO浓度的变化图;(c) GO/PI石墨纳米纤维的电导率随GO浓度的变化图


如图4所示,通过稳态T型法测量得到GO/PI基石墨纤维的热导率,发现随着GO的添加,GO/PI基石墨纤维的热导率逐步提高,0.1%GO含量对应于最高的热导率,达到 331 Wm−1K−1。同时,作者发现极少量 GO(0.1%)就可以显著提高 PI 基石墨纳米纤维的热导率。