[发明专利]一种基于片层状各向异性的石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于片层状各向异性的石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法，所述的石墨烯气凝胶是通过对氧化石墨烯和聚酰胺酸盐混合溶液进行双向冷冻、酰亚胺化、石墨化等步骤得到，所述的环氧复合材料是通过对石墨烯气凝胶进行可控压缩后与环氧树脂复合固化后得到。所述的石墨烯/环氧树脂复合材料在石墨烯取向方向上具有高热导率，同时其微观上仿贝壳的“砖泥”结构赋予该复合材料高的断裂韧性。对气凝胶的可控压缩解决了以石墨烯气凝胶作为导热填料时无法提高填充含量的问题；双向冷冻方法构筑的片层状结构解决了当填料含量过高时复合材料韧性下降的问题。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种基于片层状各向异性的石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法，以氧化石墨烯和水溶性聚酰胺酸盐为前驱体，通过调控二者比例以及采用双向冷冻、高温石墨化处理等方法构筑具有层状结构的高品质石墨烯三维导热网络，与环氧树脂复合后得到石墨烯/环氧树脂复合材料，得到的高品质石墨烯/环氧树脂复合材料具有高的热导率及断裂韧性。

背景技术

随着电子设备的飞速发展，其散热管理成为影响微电子设备使用安全性和使用寿命所必须面对的巨大挑战。虽然高分子材料具有质量轻、易加工、耐化学腐蚀和成本低等特点，但其较低的热导率（低于0.5 W m^-1K^-1）显然其已经无法满足需求，因此迫切需要研制出具有优良导热性能的高分子复合材料来满足工业发展的需求。

将具有高热导率的填料填充到聚合物基体中是获得高导热高分子复合材料的一种高效方法。例如将银、铜、铝等金属填料，氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硅等陶瓷填料，以及炭黑、碳纳米管、石墨烯等碳材料填充到聚合物基体中制备导热复合材料。然而对于传统的金属填料和陶瓷填料来说，其增强效果有限，要获得较高热导率需要较高的填充量。碳材料除了具有优良的热导率之外，还具有质轻的特点，这使得碳填料成为制备高导热复合材料最有发展前景的一种填料。而常用的碳填料中，石墨烯由于具有优异的力学性能、高导热性能和高导电性能受到很多关注。

目前主要采用以下几种方法来提高石墨烯/聚合物导热复合材料的热导率：（1）提高石墨烯的品质，高品质石墨烯能够有效减少声子散射从而保证本身具有高热导率；（2）构筑三维导热通路，导热通路的构筑能够有效降低石墨烯片层间的接触热阻，从而提高复合材料的热导率；（3）将石墨烯进行取向，石墨烯面内的热导率要高于垂直方向热导率，因此将其在面内方向进行取向能够有效提高复合材料在该方向上的热导率；（4）提高石墨烯的含量，研究表明复合材料的热导率随导热填料的增加而增加，因而提高石墨烯的填充含量也能够有效提高复合材料热导率。但是目前石墨烯/聚合物导热复合材料的热导率与理论导热增强相比还具有很大的差距，有很大的提升空间。而且石墨烯含量较高时高分子材料的加工性能下降，同时较高的填料含量会导致复合材料的密度上升，韧性下降，失去了高分子材料原有的优点。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于片层状各向异性的石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法。为了实现发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于片层状各向异性的石墨烯/环氧树脂复合材料，通过对石墨烯气凝胶进行可控压缩后与环氧树脂复合固化后得到，所述的复合材料具有仿贝壳的“砖泥”结构。

本发明还保护所述的石墨烯/环氧树脂复合材料的制备方法，片层状各向异性的石墨烯气凝胶是通过对氧化石墨烯和聚酰胺酸盐混合溶液进行双向冷冻、酰亚胺化、石墨化等步骤得到的片层状各向异性高品质石墨烯气凝胶；所述的石墨烯/环氧树脂复合材料是通过对石墨烯气凝胶进行可控压缩后与环氧树脂复合固化后得到。

本发明的制备方法中，通过双向冷冻技术赋予石墨烯气凝胶层状结构，通过高温热处理提高石墨烯的品质，通过对气凝胶进行可控压缩提高复合材料中石墨烯的填充含量，所得到的石墨烯/环氧树脂复合材料不仅具有高热导率也具有高断裂韧性，解决了高分子复合材料在填料含量较高时力学性能下降的问题。所述复合材料具有仿贝壳的“砖泥”结构，具有高热导率的同时也有高的断裂韧性。

在本发明的优选的实施方案中，所述的制备方法包括如下步骤：