[论文解读] Thermally expanded graphite polyetherimide composite with superior electrical and thermal conductivity

Fatema Tarannum, Swapneel Danayat+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2022

Thermal properties of materials被引用 6

一句话总结

本研究展示了一种通过溶液混合法简便制备热膨胀石墨/聚醚酰亚胺（EG/PEI）复合材料的方法，在仅10 wt%填料负载量下，实现了969 S/m的优异电导率和7.3 W/mK的热导率。保留的三维蠕虫状结构使导电网络得以形成，显著提升了电学与热学性能，同时保持了材料的结构完整性。

ABSTRACT

Thermally expanded graphite (EG) polymer composite has high potential in modern thermoelectronic industry due to cost effectiveness, excellent electrical and thermal properties. In this study, we report that expanded graphite polyetherimide(EG/PEID) composite has been fabricated by simple solution mixing technique, reinforcing a low cost EG filler into host polymer matrix, polyetherimide (PEID). This technique enables the inclusion of 3D graphitic filler into polymer matrix retaining the worm structure of expanded graphite, thus developing continuous network throughout the composite. In result, ~19 orders of magnitude rise of the polymers electrical conductivity up to 969 S/m has been achieved upon the inclusion of the 10wt% of EG filler. Theoretical prediction using effective medium approach reveals the impact of an imperfectly conducting interface and interfacial tunneling on electrical conductivity of the composites. We also report that 10wt% EG filler composition composite exhibits the thermal conductivity (k) value of 7.3W/mK, implying significant enhancement of 3070% compared to pure PEID. Scanning Electron Microscopy (SEM) represents the morphology of fillers and composites, revealing the preserved structure of EG to develop the conductive pathway between polymer and filler. Investigation on the structural properties before and after the thermal expansion of EG fillers has been performed using Raman, X-ray diffraction (XRD) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) analysis. In summary, a simple fabrication route of solution mixing has been demonstrated to achieve an outstanding electrically and thermally conductive EG/PEID composite without compromising the efficiency of EG filler structure. The expanded graphite-based polymer composites can retain their outstanding properties in wide range of thermal and electronic industry.

研究动机与目标

• 开发一种成本低廉、高性能的聚合物复合材料，用于热电电子应用，以热膨胀石墨（EG）作为填料。
• 通过在制备过程中保持EG的三维蠕虫状形貌，克服传统导电聚合物复合材料的局限性。
• 通过简单的溶液混合技术，实现电导率与热导率的同步提升。
• 研究界面隧穿效应及非理想导电界面在EG/PEI复合材料中电导渗滤行为中的作用。
• 利用先进表征技术验证复合材料的结构与功能稳定性。

提出的方法

• 通过天然石墨的热处理制备热膨胀石墨（EG），诱导剥离并形成三维蠕虫状结构。
• 将聚醚酰亚胺（PEI）溶解于合适溶剂中，形成均匀的基体，用于分散EG填料。
• 通过溶液混合将EG填料均匀分散于PEI溶液中，随后经溶剂蒸发和热固化处理形成固态复合材料。
• 采用四探针法测量电导率，利用激光闪光法评估热导率。
• 采用拉曼光谱、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）对结构与化学性质进行表征。
• 采用有效介质近似理论模型分析界面隧穿效应及非理想界面在电导率影响中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 热膨胀石墨的三维蠕虫状形貌如何影响聚合物复合材料中的电导渗滤行为？
• RQ2 在低填料负载量（≤10 wt%）下，EG/PEI复合材料可实现的最大电导率是多少？
• RQ3 与纯PEI相比，EG的引入在多大程度上提升了PEI基体的热导率？
• RQ4 界面隧穿效应及非理想导电界面在多大程度上影响复合材料的电导率？
• RQ5 热膨胀后EG的结构稳定性如何，以及在后续复合材料形成过程中是否保持稳定？

主要发现

• 在仅10 wt% EG负载量下，EG/PEI复合材料的电导率达到969 S/m，较纯PEI提升了约19个数量级。
• 在10 wt% EG负载量下，热导率达到7.3 W/mK，较原始PEI提升了3070%。
• 扫描电子显微镜结果证实EG的三维蠕虫状结构得以保留，从而在复合材料中形成连续的导电通路。
• 拉曼光谱与XRD分析证实，石墨在热处理过程中成功实现剥离并转化为膨胀石墨。
• XPS分析显示EG在掺入PEI基体后化学稳定性良好，表明界面结合稳定。
• 基于有效介质方法的理论建模表明，界面隧穿效应及非理想界面显著影响电导渗滤阈值与电导率提升效果。