石墨烯自發(fā)現(xiàn)以來,其熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)得到了深入的研究,為其在熱管理、傳感器、力學(xué)增強(qiáng)、透明導(dǎo)電薄膜、儲(chǔ)能等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。單層石墨烯的熱導(dǎo)率高達(dá)5300 W/mK,是目前熱導(dǎo)率最高的材料,超過銅熱導(dǎo)率的10倍。同時(shí),石墨烯具有與銅可比擬的導(dǎo)電性。石墨烯高熱導(dǎo)率和高電導(dǎo)率的特點(diǎn)使其在復(fù)合材料領(lǐng)域受到了極大的關(guān)注并表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景,其中在聚合物基復(fù)合材料方面,石墨烯作為功能性填料可以賦予復(fù)合材料優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。本論文系統(tǒng)研究了天然橡膠中石墨烯導(dǎo)熱和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)構(gòu)建,并探索了其在導(dǎo)熱復(fù)合材料和應(yīng)變傳感器中的應(yīng)用。取得的主要結(jié)果如下:（1）設(shè)計(jì)制備了具有高熱導(dǎo)率的定向排列石墨烯納米片/石墨烯泡沫/天然橡膠（GNs/GF/NR）復(fù)合材料,在低石墨烯添加量的情況下獲得了顯著的導(dǎo)熱增強(qiáng)效果。在石墨烯（GNs和GF）含量?jī)H為6.2 vol%時(shí),面內(nèi)熱導(dǎo)率高達(dá)10.64 W/mK,垂直熱導(dǎo)率高達(dá)3 W/mK。相比于純的天然橡膠,室溫下熱導(dǎo)率提升率（TCE）為8100%,單位體積百分比石墨烯的熱導(dǎo)率提升率（specific TCE）高達(dá)1300%,為目前報(bào)道的最高值。同時(shí)... 

【文章來源】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：111 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１石墨烯二維材料是構(gòu)成其他維數(shù)材料的基本單元，它可以包裹成零維的富勒??烯，也可以卷曲成一維的碳納米管，還可以堆疊成三維的石墨｜？

?動(dòng)，從而賦予了石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性［５］。二維石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)與三維石墨不同，??圖１．２是石墨烯晶體結(jié)構(gòu)Ｗ及能帶結(jié)構(gòu)和布里淵區(qū)圖Ｗ，導(dǎo)帶（７！電子）與價(jià)帶??（ｆ）在費(fèi)米能級(jí)相交于６個(gè)點(diǎn)，這些點(diǎn)稱為狄拉克點(diǎn)，無質(zhì)量，密度態(tài)為０，??所以石墨烯可以看作是零帶隙半導(dǎo)體。在低能量中，色散是線性的，取決于Ｋ和??點(diǎn)的錐形截面。從而石墨烯中的電子和空穴可以用狄拉克相對(duì)論方程來描述，??表明石墨烯中的準(zhǔn)粒子與傳統(tǒng)塊體材料有很大的區(qū)別。??ＶｃＶ?＾１１??圖１．２石墨烯結(jié)構(gòu)。??（ａ）石墨烯晶體結(jié)構(gòu)％?（ｂ）石墨烯能帶結(jié)構(gòu)和布里淵區(qū)ｍ。??１．２．２石墨烯的電學(xué)性能??石墨烯的優(yōu)異電子質(zhì)量特點(diǎn)引起了研宂人員的極大興趣。石墨烯表現(xiàn)出明顯??的雙極性電場(chǎng)效應(yīng)，如圖１．３?（ａ）所示，在室溫大氣環(huán)境下，載流子濃度高達(dá)１０１３??ｃｎＴ２且電子和空穴可連續(xù)調(diào)控，遷移率可達(dá)ｂＯＯＯｃｎ＾Ｖ－Ｖ１。在室溫下觀察到的??載流子仍然受到雜質(zhì)散射的影響，在不受雜質(zhì)散射影響的情況下，遷移率可高達(dá)??１０５ｃｍＷ％在電子和化學(xué)摻雜器件中，石墨烯在高載流子濃度（ｎ＞ｌ〇１２ｃｍ＿??２）下可仍保持高的遷移率

碳材料的室溫?zé)釋?dǎo)率涵蓋了幾乎所有范圍，從熱導(dǎo)率最低的無定形碳??（０．０１?Ｗ／ｍＫ）到熱導(dǎo)率最高的石墨烯（５３００?Ｗ／ｍＫ）和碳納米管，跨度達(dá)５個(gè)??數(shù)量級(jí)，如圖１．４所示。尋找到具有優(yōu)異性能的導(dǎo)熱材料對(duì)下一代的集成電路和??三維電子器件的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。納米尺度結(jié)構(gòu)上的變化可以改變材料的導(dǎo)熱性能，??如納米線的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)不如塊體的導(dǎo)熱能力，這是因?yàn)槁曌由⑸溥吔绲脑黾雍吐??子色散的改變所導(dǎo)致的［＾］。碳材料ＩＩ－金剛石在溫度接近７７?Ｋ時(shí)，熱導(dǎo)率高達(dá)??１００００?Ｗ／ｍＫ；碳納米管宏觀體是最好的塊體熱導(dǎo)體，其室溫?zé)釋?dǎo)率在３０００－３５００??Ｗ／ｍＫ范圍內(nèi)。石墨烯的發(fā)現(xiàn)使嚴(yán)格二維晶體中的熱傳遞在實(shí)驗(yàn)上成為了可能，??第一次石墨烯熱導(dǎo)率的測(cè)量是由Ａ．?Ａ．?Ｂａｌａｎｄｉｎ教授課題組通過拉曼表征測(cè)試得??到的，其熱導(dǎo)率高達(dá)５３００?Ｗ／ｍＫ，超過了石墨的上限，激起了廣大研究者探索其??４??


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