Chen等运用两步法制备了含量为6。7wt %的石墨烯/ZnO复合材料,发现石墨烯在ZnO基体中部分重叠形成三维网状结构[10]。由于该复合材料具有这种特别的结构,使制备出来的石墨烯/氧化锌复合材料的比电容相比原材料而言提高了128%。
以上提到的都是石墨烯/金属复合材料,但可以很明显的发现,虽然近些年来石墨烯/金属复合材料的研究热度正在逐渐上升,但是人们对石墨烯/金属复合材料的关注点都只在于抗压强度、抗拉强度、塑性、导电率、比电容等几个方面,与传热方面有关的研究则很少出现。这可能是相比较其他材料而言,金属材料的传热性质还是比较良好的,能够满足目前工业生产上的性能要求,并且人们对石墨烯/金属基复合材料的研究还只是刚刚开始,相关机理还没有完全弄清楚,可能在不久的将来添加石墨烯的金属基复合材料将会大放异彩。
1。2石墨烯/聚合物复合材料
由于石墨烯具有强度高、导电率高、比表面积大的特点,使其很适合作为纳米填料而用于制备强度高、导热好的复合材料,而且将石墨烯均匀分散在溶液中也可以使其与某些高分子聚合物互相混合,从而形成性能优异的石墨烯/聚合物复合材料。此外,在复合材料中加入石墨烯可使复合材料拥有不同的功能性,不仅能使热导率系数以及导电率提高、强度增强,而且还能使新材料具有优异的可加工性能,为石墨烯复合材料的多方面应用提供了广阔的空间。与纯聚合物相比,石墨烯/聚合物复合材料所具有的各种热、电、力学性能均有显著的提高,同时,通过使用石墨烯增强的聚合物复合材料的各种热、电、力学性能均较其他类型材料(如黏土或者其他碳材料)增强的聚合物复合材料的性能有十分明显的提高。
但是,制备出的复合材料所具有的物理和化学性质与石墨烯在基体中的均匀程度存在较大联系,而且还与基体之间的互相作用紧密相关。石墨烯结构二维单层原子晶体,内部不含任何不稳定化学键,因此它的化学性质十分稳定,与其他的材质互相反应发生相互作用的程度较弱,并且在石墨烯的原子层与原子层之间还存在很强的范德华力,这样的结构很容易导致团聚现象出现。团聚现象的产生,是石墨烯在水或者常用有机溶剂中的溶解度下降,成为了限制对石墨烯进行研究和应用的障碍。
于伟等运用高温热还原法制备出了还原的氧化石墨烯(RGO),并使用先插层后膨胀再剥离的方法制备出了石墨烯纳米薄片(GNP),最后分别采用还原的氧化石墨烯、石墨烯纳米薄片以及天然鳞片石墨为填充材料制备出了导热硅脂[11]。他们的研究发现,使用不同方法而制备得到的石墨烯复合材料之间的性能差异很大,集中表现在热导率系数、比表面积等方面。当添加的体积分数达到1%时,添加还原的氧化石墨烯的导热硅脂在热导率系数方面增加比为103。8%,是三种制备方法中最高的一种。而当添加的体积分数为4。25%时,热导率系数增加比最大的材料则变成了添加石墨烯纳米薄片的导热硅脂,达到了668%[11]。
Baladin等发现除了单层石墨烯与其它材料复合可以有效提高材料的性能以外,不同层数石墨烯的复合更加有利于强化复合材料的传热特性[12]。通过一定程度的调整,在加入体积分数为10%的石墨烯后,可以得到热导率系数为基体材料热导率系数23倍的新材料。而且石墨烯与Ag的复合效果比碳黑与Ag的复合效果更好,在体积分数为5%时,石墨烯/Ag/环氧树脂热界面材料的热导率系数是加入碳黑的5倍左右。
而且石墨烯与碳纳米管(CNT)同时使用则可以产生协同效应,更加有效地提高了复合体系的传热特性。Yang等研究了环氧树脂/CNT/GNP复合材料,他们的研究发现,当加入的质量分数达到1%时,石墨烯和碳纳米管的协同效应更为明显,制备出来的复合材料热导率系数达到了基体材料热导率系数的146。9%[13]。而Yu等发现当石墨烯以及碳纳米管的填充比例达到10%质量分数时,可以制备得到导热率系数为1。75 W/m·K的复合材料,比单纯添加相同质量分数的石墨烯或者碳纳米管而制备得到的复合材料的热导率系数都要高[14]。