石墨烯/高分子基纳米复合材料的热膨胀系数跨尺度模拟及超高性能温度传感器研制

Due to the superior mechanical, electrical and thermal properties, graphene/polymer nanocomposites have many potential applications, especially in the areas of nanoelectronics and sensors. However, to improve their thermal performance or alleviate thermal mismatch in the applications of nanocomposites, their thermal expansion property is a key factor that should be studied and handled. This project aims at simulating the coeffieicent of thermal expansion (CTE) and thermal stress of graphene/polymer nanocomposites through multi-scale (MS) numerical modeling and developing temperature sensors with ultrahigh performance. Firstly, the CTE of graphene will be predicted through molecular dynamics (MD) simulation. Secondly, based on the derived CTE of graphene, the CTE and thermal stress of graphene/polymer nanocomposites will be evaluated by MS numerical simulation, and the numerical results will be verified theoretically and experimentally. Finally, the development of an utrahigh performance temperature sensor using graphene/polymer nanocomposites will be studied, and the actual performance and working mechanism of the sensor will be verified and analyzed. The outcomes of this project will reveal the thermal expansion charactersitics and mechnisms of graphene/polymer nanocomposites, which can be very helpful for the design of ultrahigh performance nanoelectronics and sensors by using graphene/polymer nanocomposites.

由于优异的力学、热学、电学等特性，石墨烯/高分子基纳米复合材料具有广阔的应用前景，尤其是在纳米电子器件及传感器领域。在纳米复合材料的应用中，无论是为了提高热学性能，还是为了缓解热失配，都需要对其热膨胀特性进行全面深入的研究和掌握。本项目旨在利用跨尺度模型模拟石墨烯/高分子基纳米复合材料的热膨胀系数（CTE）、热应力场，并研制超高性能温度传感器。首先，通过分子动力学（MD）模拟获得石墨烯单体的CTE。其次，结合由此获得的单体CTE，对石墨烯/高分子基纳米复合材料的热膨胀系数和热应力场进行跨尺度模拟，并通过理论和实验方法验证模拟结果。最后，研制石墨烯/高分子基纳米复合材料超高性能温度传感器，并进行实际性能评价和工作机理分析。研究成果将揭示石墨烯/高分子基纳米复合材料的热膨胀特性和机理，为高性能石墨烯/高分子基纳米复合材料电子器件和传感器的设计提供指导。

由于优异的力学、热学、电学等特性，石墨烯/高分子基纳米复合材料具有广阔的应用前景，尤其是在纳米电子器件及传感器领域。在纳米复合材料的应用中，无论是为了提高热学性能，还是为了缓解热失配，都需要对其热膨胀特性进行全面深入的研究。在本项目中，首先采用分子动力学方法模拟分析了石墨烯单体的热膨胀系数。研究结果表明，石墨烯热膨胀系数随温度呈非线性变化，在0-1200K温度范围内是负值（热收缩），在151K时值为最小；当石墨烯单体模型尺寸小于10.0×10.0 nm时，其具有明显的尺寸效应，随着模型尺寸增大而增加，当模型尺寸大于10.0×10.0nm时，尺寸效应明显减弱；同时研究结果还表明了采样区域对石墨烯单体热膨胀的系数具有很大影响，最终提出可计算石墨烯单体热膨胀系数的经验公式。其次，采用3D-RVE有限元模型分析了石墨烯/高分子基纳米复合材料热膨胀系数，并用实验和理论研究进行了验证；模拟结果表明该石墨烯纳米复合材料的热膨胀系数随温度呈线性关系，通过添加石墨烯可有效降低基体材料的热膨胀率，且随着石墨烯含量的增加，纳米复合材料的热膨胀率进一步降低。当石墨烯含量5 wt%时可降低基体热膨胀系数35.4%；在研究中还发现石墨烯在基体中的分散性对该复合材料热膨胀系数影响较大。最后，本项目全面制定了石墨烯/高分子基（环氧树脂）纳米复合材料制备工艺，并制造了相应的传感器芯片；研究中发现超声波搅拌功率900W和搅拌时间2h时可得到性能较好的石墨烯纳米复合材料；当石墨烯含量3wt%时传感器性能较好，具有较好的灵敏度，电阻变化率可达50%，另外，石墨烯纳米复合材料温度传感器具有1K温度对应40000Ω的电阻变化，这可表明该材料具有超高的精度。本项目所制造的石墨烯/高分子基纳米复合材料温度传感器可代替传统金属温度传感器，具有高性能、低成本及易制作等优点，具有较好的应用前景。