石墨烯/铜复合材料中石墨烯网络结构的构建及对导热性能影响机理

Owing to the outstanding thermal conductivity of graphene, it becomes a very promising reinforcement/filler material in the development of high thermal conductivity metal-matrix-composites (MMCs). However, the current studies indicate that the traditional methods (mainly through improving the graphene dispersion and interfacial bonding with metal matrix) could not effectively enhance the thermal conductivity of graphene/metal composites. With the aim to fully exert the excellent thermal conductivity of graphene in MMCs, in this project, we will try to breakthrough the traditional thinking mode and propose a new design idea to create three-dimensional (3D) graphene network structure (thermal conductive network) in metal matrix through two-step process route involving the in-situ growth of graphene on Cu foam and subsequent Cu infiltration. We will systematically study the effect of process parameters on the thermal conductivity of the composites to reveal the growth, evolution mechanism and regulation pathway of 3D graphene network structure, and a new technological prototype for preparing high thermal conductivity graphene/metal composites will be established. At the same time, we will profoundly study the thermal conductivity behavior of the composites based on molecular dynamics simulation in order to clarify the relationship between graphene network structure and thermal conductivity of the composites, and create the optimum configuration design guideline of graphene network structure. The implementation of this project will provide the technical support and theoretical guidance for the development of high thermal conductivity graphene/metal composites.

石墨烯具有非常优异的导热性能，在高导热金属基复合材料的开发中有着诱人的应用前景。但目前的研究显示，传统工艺模式（改善石墨烯分散以及与金属基体的界面结合）并不能有效地提升石墨烯/金属复合材料的导热性能。本项目拟突破传统思维模式，以充分发挥石墨烯优异的导热性能为导向，提出在金属基体中构建石墨烯三维网络结构（导热网络）的设计思路，采用“泡沫Cu基底原位生长石墨烯+Cu熔渗”的工艺路线，力图获得高热导率的石墨烯/铜复合材料。系统研究工艺参数对复合材料组织结构的影响，揭示石墨烯三维网络结构的形成、演变机理和调控途径，构筑高导热石墨烯/金属复合材料制备的新型技术原型。同时，基于分子动力学模拟对复合材料的导热性能进行深入研究，阐明石墨烯网络结构对导热性能的影响机理，建立石墨烯网络构型的最优化设计准则。本项目的开展将为高导热石墨烯/金属基复合材料的开发与应用提供技术支撑和理论指导。

石墨烯在平面方向具有超高热导率（1000~5300 W/mK），但是目前报道的石墨烯/金属复合材料的导热性能总体并不理想，一个关键问题是必须实现石墨烯在金属基体中的高度取向才能充分发挥其优异的平面热导率，提升整体复合材料的导热性能。本研究采用真空抽滤法结合放电等离子烧结制备了高体积分数的石墨烯纳米片（GNP）/铜复合材料，可在35 vol% GNP体积分数下在Cu基体中构建具有高取向度且三维联通的石墨烯结构。这种GNP高取向网络结构在平面方向可最大程度发挥了石墨烯的高导热作用，同时极大地降低了界面热阻的不利影响，GNP/Cu复合材料的平面热导率最高可达525W/mK，为Cu基体的1.5倍。为现有块体石墨烯/金属复合材料热导率报道的最高值，可充分满足现有电子封装以及先进热管理材料散热的需求。基于图像分析法并结合导热模型计算阐明了GNP取向度-界面热阻-复合材料导热性能之间的相互关系。探讨了GNP本征参数（缺陷，片径）对复合材料热导率的影响，提出了高导热石墨烯/铜复合材料导热性能设计的优化准则。其次研究了高取向石墨烯/金属复合材料热膨胀性能和力学性能，发现此类复合材料中存在热膨胀系数变化的“反常各向异性行为”。复合材料力学性能各向异性行为中存在“GNP滑移”和“GNP剥离”两种典型的界面失效模式。进一步研究了石墨烯表面进行碳化物颗粒（Mo2C@RGO）改性对Mo2C@RGO/Cu复合材料界面结合和热/力学性能的影响机制。Mo2C纳米颗粒不仅均匀且牢固地附着在RGO上，并且与Cu基体形成半共格界面，这样使得Mo2C@RGO/Cu复合材料获得了较强的界面结合，极大地促进了复合材料力学性能的提高。提出了Mo2C@RGO/Cu复合材料的局域Orowan强化机制并量化了其强化贡献。热学性能显示，Mo2C改性可有效降低复合材料的热膨胀系数，但同时也降低了复合材料的热导率。本研究丰富了石墨烯/金属复合材料的制备技术和热学/力学性能的内在变化机理，对指导高导热高强石墨烯/金属复合材料的开发设计提供了实验参考和理论依据。