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        電化學(xué)法制備石墨烯薄膜及其導(dǎo)熱性能研究①

        2022-09-09 05:18:32黃鵬程涂飛躍劉素琴肖可頌
        礦冶工程 2022年4期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)熱性比熱容擴(kuò)散系數(shù)

        黃鵬程,涂飛躍,劉素琴,肖可頌

        (1.長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410012;2.中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,湖南 長沙 410083)

        石墨烯展示出諸多優(yōu)良特性,已引起全球研究者廣泛關(guān)注并取得了可喜研發(fā)進(jìn)展[1?3]。隨著5G技術(shù)蓬勃發(fā)展,與高功率高集成器件相關(guān)聯(lián)的高效散熱一直是工程技術(shù)難題[4?5]。智能柔性器件的興起為開發(fā)與柔性基底設(shè)計(jì)需求兼容的散熱材料帶來了新的挑戰(zhàn)[6]。石墨烯薄膜作為石墨烯的宏觀二維組裝體,展示出諸如導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)低、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[7?9]。石墨烯制備方法很多,各有優(yōu)缺點(diǎn)。氣相沉積法(CVD)制備石墨烯薄膜的效率較低且成本高[10],物理研磨或超聲剝離體相石墨的產(chǎn)量和效率均較低[11]。目前,大多采用化學(xué)氧化法批量制備氧化石墨烯,制備過程中產(chǎn)生的大量廢酸、廢渣嚴(yán)重污染環(huán)境,粉末氧化劑的添加也存在嚴(yán)重安全隱患[12]。電化學(xué)方法可將層狀石墨原料剝離成幾個(gè)原子層厚的薄片,僅引入少量缺陷,剝離效率高且環(huán)境友好,是一種極具潛力的化學(xué)氧化法替代方法[13?14]。本文將電化學(xué)法制備的低缺陷、大片徑薄層氧化石墨烯組裝成膜并進(jìn)行高溫?zé)崽幚?,獲得了導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)超商用導(dǎo)熱膜的石墨烯薄膜;同時(shí)建立了石墨烯薄膜導(dǎo)熱性能與氧化石墨烯前驅(qū)體和膜材的指標(biāo)參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系,為石墨烯的商業(yè)化應(yīng)用開創(chuàng)新途徑。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 實(shí)驗(yàn)方法

        氧化石墨烯制備:將石墨紙電極浸入98%濃硫酸中,以平均電流密度10 mA/cm2通電插層20 min;再完全浸沒于1 mol/L稀硫酸中,通過設(shè)置電壓參數(shù),以平均電流密度60~200 mA/cm2通電氧化30 min,獲得不同氧化程度的插層氧化石墨復(fù)合物。樣品經(jīng)收集后超聲輔助剝離6 h,用純水和無水乙醇多次洗樣,高速離心富集,經(jīng)冷凍干燥2 d后制得氧化石墨烯。

        導(dǎo)熱膜制備:球磨氧化石墨烯的N?甲基吡咯烷酮(NMP)分散液制備得到固含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))5%的漿料,在鋁箔基底表面以300~800 μm的間隙刮涂制膜,干燥后剝離鋁箔得到氧化石墨烯薄膜[15],按照氧化石墨烯前驅(qū)體的氧含量、中值粒徑、刮涂厚度及預(yù)處理方式差異,對薄膜樣品從1~12分別進(jìn)行標(biāo)記。薄膜在氬氣氛圍中以升溫速率10℃/min于3 000℃下高溫石墨化熱處理1 h,再以降溫速率10℃/min逐漸冷卻至室溫,薄膜樣品經(jīng)輥壓、模切成直徑22 mm的圓片后檢測導(dǎo)熱性能。

        性能測試:室溫條件下,通過激光閃射法測試薄膜的熱擴(kuò)散系數(shù);通過差示掃描量熱儀記錄的熱容值換算得到比熱容;經(jīng)電子分析天平稱重、螺旋測微儀量取厚度后,換算得到薄膜密度;綜合計(jì)算得到薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)。

        石墨烯薄膜制備方案詳見表1。

        表1 石墨烯薄膜制備方案

        1.2 主要試劑及儀器

        主要試劑:石墨紙由山東淄博膨脹石墨廠提供,碳含量不低于99.3%,厚度0.4 mm;分析純濃硫酸(≥95%)及無水乙醇由湖南匯虹試劑有限公司提供;純水由純水機(jī)制取,電導(dǎo)率不高于5 μS/cm。

        主要儀器包括邁勝M(fèi)P6010D型可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、長沙天創(chuàng)XQM?0.4A型立式行星球磨機(jī)、諾天科技NTG?SML?60L型中頻感應(yīng)加熱石墨化實(shí)驗(yàn)爐、FEI Tecnai G2 F20型透射電子顯微鏡(TEM)、Horiba Scientific型拉曼光譜儀、Elementar vario EL型元素分析儀、Quadrasorb SI型激光粒度儀、Netzsch LFA 467 HyperFlash型激光導(dǎo)熱儀、DSC Q2000型差示掃描量熱儀等。

        2 結(jié)果及討論

        2.1 氧化石墨烯及薄膜的制備

        氧化石墨烯的制備過程及3號樣品的電鏡表征見圖1。在98%濃硫酸反應(yīng)體系中,負(fù)載正電壓到石墨電極上,由于石墨片層之間正電互斥,層間距被打開,利用靜電吸引,濃硫酸中負(fù)電荷的硫酸根/硫酸氫根被插入到石墨片層中;在稀硫酸反應(yīng)體系中,水解的硫酸根大量游離,因此更多地被插入到層間,造成電極體積劇烈膨脹,同時(shí)電化學(xué)氧化水產(chǎn)生大量氧氣,突破了片層間范德華力,撐開了石墨片層,將其剝離成薄層石墨;藉由超聲輔助,將薄層石墨進(jìn)一步剝離,得到氧化石墨烯薄片。

        圖1 氧化石墨烯的制備過程及電鏡表征

        由圖1(b)可見,3號樣品表面較為平整,保留了表層較高的結(jié)晶程度;邊緣處出現(xiàn)多層錯(cuò)落堆疊,說明氧化石墨烯薄片厚度較小,透明度提升,石墨被成功地剝離。研究表明諸如化學(xué)還原、熱退火等方法無法完全修復(fù)石墨烯薄膜中的結(jié)構(gòu)缺陷[16?17]。為了進(jìn)一步提高石墨烯薄膜的性能,近年來的研究集中在利用石墨烯薄膜的石墨化來全面修復(fù)缺陷[5,15]。高溫退火有利于石墨烯表面聲子散射中心、晶格結(jié)構(gòu)缺陷以及官能團(tuán)的減少[18]。然而,由于石墨化過程中含氧官能團(tuán)分解,經(jīng)過石墨化后的石墨烯薄膜通常結(jié)構(gòu)松散,導(dǎo)致石墨烯薄膜性能較差[19?20]。

        3號樣品熱處理前后的性狀表征見圖2。熱處理前的薄膜表面較平整,呈亮灰色金屬光澤。薄膜高溫石墨化熱處理前后的拉曼光譜對比結(jié)果表明,電化學(xué)法制備的氧化石墨烯表面富含官能團(tuán),缺陷比例Id/Ig值高達(dá)1.49;經(jīng)過石墨化熱處理,薄膜表面Id/Ig值降至0.015,說明在高溫過程中面內(nèi)缺陷結(jié)構(gòu)被修復(fù),表面結(jié)晶度大幅提高。熱處理后石墨烯薄膜表面晶格條紋清晰可見且沿3個(gè)方向展開,選區(qū)電子衍射(SAED)圖中典型的六方晶格點(diǎn)陣同樣說明石墨烯薄膜表面缺陷程度較低,結(jié)晶程度較高。

        圖2 石墨烯薄膜性狀及熱處理后的薄膜表征

        2.2 石墨烯薄膜性能測試

        前驅(qū)體及薄膜參數(shù)對薄膜導(dǎo)熱性質(zhì)的影響見表2。熱擴(kuò)散系數(shù)是衡量熱量由物體表面向深層或由深層向表面擴(kuò)散能力的重要物理量,往往用于衡量材料導(dǎo)熱性能。由表2可見,石墨烯薄膜樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)隨前驅(qū)體氧含量變化而變化。石墨烯中熱傳導(dǎo)的主要機(jī)制是sp2共價(jià)鍵網(wǎng)絡(luò)的晶格振動(dòng)引起的聲子散射[21]。提高石墨在電化學(xué)氧化階段的氧含量,雖有利于插層剝離效果,但也引入了較多結(jié)構(gòu)缺陷,聲子散射增強(qiáng),晶格熱導(dǎo)下降,引起熱擴(kuò)散系數(shù)下降。降低氧化石墨烯前驅(qū)體的粒徑,提高了分散漿料的穩(wěn)定性,同時(shí)提高了所制備薄膜的表面平整度,有利于高溫?zé)崽幚磉^程中薄膜的表面形態(tài)控制;較平整的表面,降低了激光在測試過程中的散射,提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        表2 石墨烯薄膜導(dǎo)熱性質(zhì)

        前驅(qū)體氧含量一定時(shí),降低所制備薄膜的厚度,熱擴(kuò)散系數(shù)顯著提高,這是石墨烯層間被俘獲的空氣和隨著厚度增加剪切應(yīng)力逐漸減弱的內(nèi)部聲子散射的共同作用結(jié)果[22]。在平板刮涂過程中,更窄的刮刀間隙,促進(jìn)了分散漿料中的石墨烯薄片沿刮涂方向二維平面鋪開,對石墨烯納米片實(shí)施取向操控提高了石墨烯在膜組裝過程中的取向程度和聲子的傳導(dǎo)[23];薄膜厚度一致時(shí),前驅(qū)體氧含量越高,熱擴(kuò)散系數(shù)越低。

        在相同粒徑水平下,隨著前驅(qū)體氧含量提高,比熱容呈上升趨勢。熱的微觀表現(xiàn)為粒子的運(yùn)動(dòng),在薄膜內(nèi)即為石墨烯薄片的微觀結(jié)構(gòu)排列。比熱容越高,代表著分子運(yùn)動(dòng)速率越高,其微觀排列越不規(guī)整。前驅(qū)體氧含量越高,在高溫石墨化過程中官能團(tuán)受熱分解逃逸的程度就越劇烈,產(chǎn)生的氣體在薄膜內(nèi)部游離并最終從邊緣排出,由此對薄膜內(nèi)石墨烯薄片的微觀排列影響就越大。前驅(qū)體氧含量接近時(shí),較小粒徑水平氧化石墨烯所制備的薄膜比熱容較低,這是因?yàn)楸∧す瓮窟^程中涉及面內(nèi)平鋪,較小粒徑的氧化石墨烯薄片可獲得更高的填充密度,阻礙了分子的運(yùn)動(dòng)自由度,比熱容下降。

        前驅(qū)體氧含量一定時(shí),提高所制備薄膜的厚度,宏觀上膜的韌性降低,微觀上石墨烯薄片的活動(dòng)范圍被限制,同樣阻礙了分子的運(yùn)動(dòng)自由度,比熱容下降。

        石墨烯納米片的尺寸、厚度、缺陷和晶粒尺寸等結(jié)構(gòu)特征都會(huì)影響本征導(dǎo)熱性[24]。在層狀石墨烯基復(fù)合材料中,除單個(gè)石墨烯納米片的固有導(dǎo)熱系數(shù)外,石墨烯納米片之間的界面熱阻也同時(shí)決定了宏觀復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能[25]。同時(shí),薄膜中若存在孔洞或缺陷,也會(huì)增強(qiáng)聲子的散射,降低導(dǎo)熱系數(shù)[26]。

        降低前驅(qū)體氧含量、降低粒徑水平和刮涂制備厚度,可以提高熱擴(kuò)散系數(shù)。對于相同參數(shù)前驅(qū)體所制備的3、4號氧化石墨烯薄膜,先在800℃下預(yù)處理、再進(jìn)行高溫石墨化處理,樣品熱擴(kuò)散系數(shù)明顯降低,說明預(yù)處理過程確實(shí)會(huì)損失一部分官能團(tuán),影響高溫石墨化階段的結(jié)構(gòu)重排修復(fù)效果,無法進(jìn)一步降低材料中的缺陷比例,導(dǎo)致晶格散射增強(qiáng),熱擴(kuò)散系數(shù)降低,所以后續(xù)對氧化石墨烯薄膜樣品均不進(jìn)行預(yù)處理,直接置于石墨化爐中進(jìn)行升溫?zé)崽幚?。熱擴(kuò)散系數(shù)對氧化石墨烯前驅(qū)體及膜材指標(biāo)參數(shù)起到重要篩選作用,因而僅對優(yōu)化后的樣品進(jìn)行后續(xù)比熱容測試。提高前驅(qū)體氧含量、降低刮涂制備厚度,可以提高比熱容的數(shù)值。導(dǎo)熱系數(shù)作為熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容和密度三者的乘積,在薄膜填充密度基本一致的前提下,主要受前驅(qū)體氧化石墨烯氧含量和粒徑水平的綜合影響。前驅(qū)體氧含量高,雖有利于插層剝離效果,但也引入了較多結(jié)構(gòu)缺陷;粒度越大,成膜性越差,測試激光的散射越強(qiáng);薄膜越厚,空隙率越大,綜合導(dǎo)致聲子散射增強(qiáng),熱擴(kuò)散系數(shù)下降。另一方面,前驅(qū)體氧含量越高,石墨化過程中對于薄膜內(nèi)部石墨烯微片的重排影響越大,比熱容也越高;薄膜越厚,越會(huì)阻礙石墨烯微片的運(yùn)動(dòng)自由度,導(dǎo)致比熱容下降。為了獲得較高的膜材導(dǎo)熱系數(shù),選取適合的前驅(qū)體氧含量和粒徑水平區(qū)間,可同時(shí)兼顧較高的熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容表現(xiàn)。由電化學(xué)制備的氧化石墨烯所組裝的膜材導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到了3 090 W/(m·K),遠(yuǎn)超市面商用石墨烯薄膜導(dǎo)熱性能[27]。

        3 結(jié) 論

        通過優(yōu)化的電化學(xué)過程氧化層狀石墨原料,剝離制得缺陷較少、片徑大而平整的氧化石墨烯,輔以球磨工藝,將適宜的氧含量(16.04%)及粒徑(18 μm)的氧化石墨烯前驅(qū)體制備成薄膜,再進(jìn)行3 000℃高溫石墨化熱處理,獲得較優(yōu)的熱擴(kuò)散系數(shù)(846 mm2/s)和比熱容(2.20 J/(g·K)),將導(dǎo)熱系數(shù)提升到了3 090 W/(m·K),遠(yuǎn)超市面商用石墨烯薄膜導(dǎo)熱性能。本文揭示了石墨烯薄膜的導(dǎo)熱性能與前驅(qū)體及膜材指標(biāo)參數(shù)的聯(lián)系,為石墨烯導(dǎo)熱膜的商業(yè)化量產(chǎn)和性能指標(biāo)參數(shù)的建立,提供了一定參考。

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