3D Lamellar-Structured Graphene Aerogels for Thermal Interface Composites with High Through-Plane Thermal Conductivity and Fracture Toughness

石墨烯 材料科学 复合材料 热导率 环氧树脂 层状结构 氧化物 气凝胶 氧化石墨烯纸 断裂韧性 纳米技术 冶金
作者
Pengfei Liu,Xiaofeng Li,Peng Min,Xiyuan Chang,Chao Shu,Yun Ding,Zhong‐Zhen Yu
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Science+Business Media]
卷期号:13 (1): 22-22 被引量:280
标识
DOI:10.1007/s40820-020-00548-5
摘要

Although thermally conductive graphene sheets are efficient in enhancing in-plane thermal conductivities of polymers, the resulting nanocomposites usually exhibit low through-plane thermal conductivities, limiting their application as thermal interface materials. Herein, lamellar-structured polyamic acid salt/graphene oxide (PAAS/GO) hybrid aerogels are constructed by bidirectional freezing of PAAS/GO suspension followed by lyophilization. Subsequently, PAAS monomers are polymerized to polyimide (PI), while GO is converted to thermally reduced graphene oxide (RGO) during thermal annealing at 300 °C. Final graphitization at 2800 °C converts PI to graphitized carbon with the inductive effect of RGO, and simultaneously, RGO is thermally reduced and healed to high-quality graphene. Consequently, lamellar-structured graphene aerogels with superior through-plane thermal conduction capacity are fabricated for the first time, and its superior through-plane thermal conduction capacity results from its vertically aligned and closely stacked high-quality graphene lamellae. After vacuum-assisted impregnation with epoxy, the resultant epoxy composite with 2.30 vol% of graphene exhibits an outstanding through-plane thermal conductivity of as high as 20.0 W m−1 K−1, 100 times of that of epoxy, with a record-high specific thermal conductivity enhancement of 4310%. Furthermore, the lamellar-structured graphene aerogel endows epoxy with a high fracture toughness, ~ 1.71 times of that of epoxy.
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