[发明专利]一种仿生植物茎状层级结构石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种仿生植物茎状层级结构石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料以具有仿生植物茎状层级结构的树脂骨架为模板，在其中填充石墨烯和氧化石墨烯、环氧树脂和酚醛树脂。本发明所得复合材料呈现垂直排列的层压茎状结构阵列，可以有效地在块状复合材料中构建竖直连续的热传导通道。此外，作为基体材料的环氧树脂和作为增强材料的水溶性酚醛树脂，共同赋予了复合材料优异的力学性能，使其在电子工业中的应用更加方便。

技术领域

本发明涉及导热材料电子封装领域，特别涉及一种仿生植物茎状层级结构石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法和应用，所制得的复合材料具有优异的热导率与电导率，可作为高散热材料使用。

背景技术

随着技术的飞速发展，智能电子设备的集成化和小型化正成为一种趋势。然而，由于电子封装材料的低本征热导率和电子设备长时间工作，因此其在运行过程中会产生过多的废热，对电子设备自身也造成巨大的损害。为了及时散热，高导热材料在热管理应用中的需求量很大。石墨烯，作为一种具有高载流子迁移率、高导电性的二维材料，吸引了众多科学工作者的注意。而且悬浮单层石墨烯具有高导热性(~4800 W/mK)，优异的机械性能，低的热膨胀系数，以及很高的化学稳定性，近年来受到广泛关注。特别是石墨烯的高导电性和热传导性能，使其在电子工业和大功率设备热管理中发挥着关键作用。遗憾的是，通过传统挤出共混法将导热填料（如石墨烯和同源碳材料）分散到聚合物基复合材料中，除非在高填料填充量下，否则难以满足高散热要求。然而填料的填充量过高，会损害其复合材料的机械性能，从而直接限制其应用。

为了解决石墨烯/环氧树脂复合材料满足适量石墨烯含量且高热导率的需求，本发明提出了一种仿生植物茎状层级结构石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法和应用，通过该方法构建出的三维导热网络，成功制备了石墨烯/环氧树脂复合材料，显著提高了聚合物基复合材料的导热性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生植物茎状层级结构石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的石墨烯/环氧树脂复合材料具有优异的导热性能。

本发明一方面提供的石墨烯/环氧树脂复合材料，其特征在于所述复合材料以具有仿生植物茎状层级结构的树脂骨架为模板，在其中填充石墨烯和氧化石墨烯、环氧树脂和酚醛树脂。本发明所得复合材料呈现垂直排列的层压茎状结构阵列，可以有效地在块状复合材料中构建竖直连续的热传导通道。此外，作为基体材料的环氧树脂和作为增强材料的水溶性酚醛树脂，共同赋予了复合材料优异的力学性能，使其在电子工业中的应用更加方便。

在本发明一个优选的实施方式中，其特征在于，所述石墨烯和氧化石墨烯的比例为5-15：1；优选为10：1。

在本发明一个优选的实施方式中，其特征在于，所述环氧树脂、酚醛树脂、石墨烯和氧化石墨烯的重量比例为1-2：1-2：5-15：1-2；优选为1:1:10:1。

本发明另一方面还涉及上述复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

S1、将氧化石墨烯分散在去离子水中配制成氧化石墨烯水溶液，再加入石墨烯微片，然后通过超声分散，得到性状稳定且分散均匀的石墨烯分散液；

S2、使用光固化3 D打印机制备具有仿生植物茎状层级结构的光敏树脂骨架；

S3、通过加热蒸发调节浓度的方式，借助真空烘箱将上述得到的石墨烯分散液灌入3D打印光敏树脂骨架中，所述真空烘箱使用温度不超过50℃；

S4、将水溶性酚醛树脂滴加到S3步骤中得到的光敏树脂骨架中，直至饱和状态；

S5、使用环氧树脂封装所得骨架，最终得到类似植物茎状结构石墨烯/环氧树脂导热复合材料。

在本发明一个优选的实施方式中，其特征在于，步骤S1中所述超声次数为2次以上，每次20-40min。

在本发明一个优选的实施方式中，其特征在于，步骤S2所述光敏树脂骨架的尺寸为10mm*10mm*2mm 和10mm*10mm*10mm。