[发明专利]石墨烯/环氧树脂复合热界面材料热导率的预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型热界面材料热导率的预测方法，具体涉及一种石墨烯/环氧树脂复合热界面材料热导率的预测方法。

背景技术

热界面材料的热导率对其使用效果具有重要的作用，因此在不同功率应用场合需要先确定其热导率是否能满足散热要求。热界面材料属于复合材料通常是在聚合物基体材料中添加导热填料，为了适应不同功率的应用材料可以改变填料的含量以及材料的结构，从而达到使用性能的需求，这样频繁的变化加大了热导率的测试工作。采用数值模型预测方法可以极大的减少材料的设计周期，因此广泛应用于复合材料设计领域中。传统的材料热导率预测方法主要是两种：基于理想假设前提的理论计算；基于实验的经验公式，以及结合理想假设的半经验公式。对于前者而言，本身理想假设就存在计算误差，况且实际情况的复杂程度远远高于理想化的假设，因此理论计算的结果与真实数值可能会存在较大偏差。而后者，由于测试状态不同、实验误差等，经验公式计算的数值与真实数值也可能会存在较大偏差。因此有效的预测方法需要根据具体情况的变化可以随之调整，避免相关情况的改变导致预测结果与真实数值存在偏差。

近些年，热界面材料已经广泛应用于电子散热领域，其作用是填充在电子器件之间的空隙中，排除热导率极低的空气，减少器件之间的接触热阻，从而提高电子器件的热运输能力。因为应用场合的特殊性，热界面材料需要具备绝缘性，因此其制备多数是在环氧树脂、硅树脂等基体材料中添加热导率较高的填料。随着一些新的高热导率碳基材料的出现，如石墨烯、碳纳米管、碳纳米管阵列、碳纤维、石墨和金刚石等，由于它们具有优质的热导率，使得它们作为填充材料在热界面材料方面的应用成为当今研究的热点，也对新型热界面材料的发展具有巨大潜力。其中石墨烯的热导率最为显著，高达5300 W/m K，因此采用石墨烯作为增强填料来提高热界面材料热导率得到广泛应用。

很多学者报道了把石墨烯高导热填料掺杂在聚合物热界面材料中对材料导热系数的提高程度。例如：于伟等以尼龙6作为基体材料，高导热的石墨烯纳米片为添加材料制备得到热界面材料，该热界面材料的热导率随石墨烯纳米片含量的增加呈线性增加，当体积含量为20%时，其热导率达到4.11 W/m K，比基体材料的热导率提高了16倍（于伟, 谢华清, 陈立飞，周晓锋2013工程热物理学报, 1749-1751）。Baladin等在目前商用的导热硅脂中加入体积分数为2%的石墨烯，可将原来热界面材料的热导率从5.8 W/m K提高到14 W/m K（Shahil K M F, Balandin A A2012Nano Letters, 861-867）。以上研究表明，加入石墨烯后复合热界面材料的热导率都有提高，但热导率的提高程度相比于石墨烯超高的热导率来说是非常的无不足道。因此，研究石墨烯等碳基在基体材料中的传热机理，预测石墨烯/环氧树脂复合热界面材料热导率对于设计优质性能的热界面材料具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯/环氧树脂复合热界面材料热导率的预测方法。以高性能的石墨烯材料为导热填料，石墨烯与环氧树脂复合的新型热界面材料的热导率，提高得到测试热导率的准确度。

为了实现上述目的，本发明设计了一种石墨烯/环氧树脂复合热界面材料热导率的预测方法，主要包括以下步骤：

步骤1，采用材料工作站打开graphene.xsd文件，设置晶格参数，构建石墨烯超胞模型；

步骤2，选择优化算法对石墨烯超胞模型进行几何优化，使石墨烯超胞模型达到平衡稳定状态；

步骤3，采用材料工作站打开xlink.pl交联脚本对双酚F型缩水甘油醚和三亚乙基四胺进行交联反应，得到环氧树脂分子链；

步骤4，建立石墨烯与环氧树脂的复合模型，选择优化算法对复合模型进行几何优化，使复合模型达到平衡稳定状态；

步骤5，对优化后的石墨烯/环氧树脂复合模型进行动力学模拟；

步骤6，根据模拟得到的界面热阻、温度梯度等参数，并结合有效介质理论模型计算热导率。

优选地，步骤1中，材料工作站采用Materials Studio软件建立不同尺寸、不同层数以及不同功能化的石墨烯超晶胞模型，其中，不同功能化是指对石墨烯表面进行不同的改性处理。