导热膨胀石墨/聚醚酰亚胺复合材料的制备与性能

doi:10.7503/cjcu20210800

摘要/Abstract

摘要：

利用膨胀石墨(EG)经高温处理后比表面积大的特点, 以膨胀石墨作为导热填料, 通过球磨和热模压方法制备了膨胀石墨/聚醚酰亚胺(PEI)导热复合材料, 并对其加工过程、微观形貌、热性能和导热性能进行了研究. 结果表明, 球磨处理可以打破膨胀石墨的“泡沫”状态并减少石墨纳米片间的间隙, 热压可以诱使和促进石墨纳米片沿着水平方向排列和取向, 从而显著提升了复合材料的平面内导热性能. 当膨胀石墨在复合材料中的质量分数为20%时, EG/PEI复合材料的面内导热系数为2.38 W?m^?1?K^?1. 与PEI相比, 复合材料导热系数的增幅约为12倍. 所制备的EG/PEI复合材料均具有良好的散热能力、较好的热稳定性和较高的储能模量, 是一种综合性能优异的导热材料.

关键词: 聚酰亚胺, 膨胀石墨, 复合材料, 导热性能

Abstract:

Large specific surface area and high thermal conductivity of graphite nanoplatelets（GNP） on expanded graphite（EG） after heat treatment was taken advantage， the crushed EG was used as thermally conductive filler and compounded with polyetherimide（PEI） through ball milling. Then the EG/PEI composites was prepared by thermal lamination， and its microscopic morphology， thermal conductivity and thermal performance were studied. The results show that ball milling treatment can reduce the pores between GNP and GNP and facilitate the uniform mixing of EG and PEI. Hot pressing can induce and promote the arrangement and orientation of GNPs along the horizontal direction， thereby significantly improving the in-plane thermal conductivity of the composite material. When the maaa fraction of EG is 20%， the thermal conductivity of the EG/PEI composite is 2.38 W?m^?1?K^?1. Compared with pure PEI， the thermal conductivity increases by about 1224%. The prepared EG/PEI composites are all with high thermal stability and storage modulus recovery rate， it is an ideal thermally conductive material with excellent comprehensive performance.

Key words: Polyimide, Expanded graphite, Composites, Thermal conduction

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 10

Fig.1 FTIR spectra(A) and Raman spectra(B) of EG fillers

Fig.2 SEM image(A), size distribution(B) for PEI powders and morphology for rEG powders(C, D) and EG powders(E, F) with different magnifications

Fig.3 SEM images with different magnifications for EG fillers after ball milling treatment(A, B) and EG/PEI mixed powders(C, D)

Fig.4 SEM images of pure PEI(A) and 5%EG/PEI(B), 10%EG/PEI(C), 15%EG/PEI(D) and 20%EG/PEI(E, F) composites

Fig.5 Through plane thermal conductivity(A), in plane thermal conductivity(B) and thermal conductivity enhancement(C) of EG/PEI composites

Fig.6 XRD patterns of pure PEI and EG/PEI composites(A), their schematic illustrations(B) and XRD patterns of 20%EG/PEI composites(∥) and 20%EG/PEI composites(⊥)(C)

Fig.7 Optical photos and IR thermal images of PEI and 20%EG/PEI composites at different time(A) and their surface temperature variations versus time(B)

Table 1 Thermal properties of PEI and EG/PEI composites

Sample	T_5%/℃		T_10%/℃		R_w^a （%）	Storage modulus retention ^b （%）		T_g^c /℃
Sample	In N₂	In air	In N₂	In air	R_w^a （%）	100 ℃	200 ℃	T_g^c /℃
PEI	501	519	527	541	49	87	61	216
5%EG/PEI	527	522	543	542	58	87	68	223
10%EG/PEI	544	534	554	545	61	92	78	227
15%EG/PEI	546	537	556	550	63	85	69	231
20%EG/PEI	548	543	559	551	66	90	77	232

Fig.8 TGA curves of PEI and EG/PEI composites in air(A) and in nitrogen(B)

Fig.9 Tanδ curves(A) and storage modulus curves(B) of EG/PEI composites by DMA

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