纳米碳-金属核壳型结构颗粒复合材料的热传导特性及其机理研究

The thermal conducting composites materials of carbon coated metal copper（aluminium) nanoparticles with core-shell structure are studied in this project. Combined traditional thermal conducting metal copper (aluminium) nanoparticles and carbon nanomaterials with low density, high chemical stability and thermal conductivity, polymer composites materials of carbon coated metal nanoparticles of high thermal conductivity are prepared. The composites have excellent dissipation and stability due to improve interface interaction of carbon layer with base materials. The continuous and effective thermal conductive network is formed by optimizing cooperation with nano-metal and nano carbon. The project will analyze the effect of nanosize of carbon coated metal nanoparticles on thermal conducting performance and their mechanism. The physics models of the thermal conducting law about composites materials of nano carbon-metal particles will be established. The special thermal conducting process for nucleus-shell structure nanoparticles will be investigated, including effect of nanosize and interactional effect of interface between nanoparticles, carbon and metal, carbon and base materials. The thermal conducting law of composites materials is obtained, it will improve and develop thermal conductive theory of nanoscale substance.

本项目创新性地研究纳米碳-金属核壳型结构颗粒- - 碳包金属铜(铝）纳米颗粒导热复合材料的导热特性及其机理，将传统的导热铜、铝纳米金属与高导热和化学稳定，低密度纳米碳材料结合, 综合了各组分材料的优异性能，利用了碳层比金属粒子更好的形变能力改善与基体的界面作用，制备分稳性稳定性好的具有强化传热功能的碳包金属纳米颗粒/聚合物复合材料，以纳米碳和金属纳米粒子协同优化效应形成连续的有效的导热网络，实现对热量的高效率传递。本项目拟系统地分析不同纳米尺寸的纳米碳-金属导热复合材料的热传导性能及其机理,建立基于纳米碳-金属复合材料导热规律的物理模型，研究其核壳型结构特殊的热传导内在过程，包括纳米碳颗粒间,碳与金属间界面，以及碳与基体介质的界面作用、纳米颗粒的尺度效应等方面，得出纳米碳-金属核壳型结构颗粒导热复合材料的热传导行为规律，完善和丰富纳米尺度介质的热传导理论。

电子器件的散热问题已成为制约信息产业进一步发展的突出问题。其散热依赖于热界面材料（导热复合材料）的高导热系数和导热效率，散热材料与电子元件两接触界面之间热接触状况是影响热传导非常重要的因素。没有良好的界面接触材料，即便使用导热系数最高的散热材料，其散热效果也会倍减，所以热界面材料不仅要有较高的导热能力，同时还必须能够最大限度的赶走两界面间的空气，以提高整体散热效果。导热填料如金属铜、铝、铁、钴及其氧化物是性价比高的导热填料，但金属及其氧化物导热填料缺点是密度大，金属虽比其氧化物的导热系数高，但有耐腐蚀性差容易被氧化等缺点。纳米碳材料（纳米碳管、石墨烯、石墨烯微片）由于其超高的导热系数使其在热传递领域具有非常吸引人的研究价值，本项目提出：（1）将传统的铜等导热纳米金属与高导热和化学稳定，低密度纳米碳材料结合, 以同样具有高导热性能的纳米碳作为传递介质，克服金属粒子之间的硬接触和提高抗氧化性，以纳米碳和纳米金属粒子协同优化效应形成连续的导热网络，实现对热量的高效率传递同时有高的性价比。制备出的碳包钴纳米颗粒/硅树脂弹性体热界面材料，当填充量为24wt.%时，导热系数提高到1.64W/(m.K)，比纯基体提高10倍；（2）提出将石墨烯与硅树脂复合制备极低填充量而又高导热性能的石墨烯/硅树脂热界面材料，当石墨烯填充量为1.5wt.%时，热界面材料的导热系数高达2.758 W/(m.K)，比纯硅脂基体提高了13倍。本项目制备出分散性稳定性好的具有强化传热功能的纳米碳复合导热填料及其聚合物复合热界面材料和纳米流体。系统地研究了纳米碳/金属核壳颗粒、石墨烯和石墨烯微片等新型的碳复合材料的导热特性及其机理和热传导规律，并提出提高其导热性能的有效途径，探讨了纳米碳/金属核壳颗粒在大功率LED灯散热和生物纳米流体上的应用。目前在国内外重要期刊上发表论文20篇，其中SCI收录论文17篇，EI收录论文2篇。获授权发明专利4件，申请发明专利4件。获得1项广东省科学技术奖。在本项目的资助下培养了10 名博士后，博士和硕士研究生。