本书以面向热管理应用的石墨烯填充聚合物导热复合材料为目标，从复合材料的合成、微观结构表征、热学性能表征到潜在的工程应用，进行了系统介绍。填充相包括石墨烯片、石墨烯膜、取向石墨烯和三维石墨烯结构，也包含了 BN、Al2O3 等粒子；基体树脂包括热固性树脂、热塑性树脂、硅橡胶及含能材料。复合材料制备工艺包含溶液混合法、熔融共混法、原位聚合法等。最后，本书对石墨烯填充聚合物导热复合材料的散热效果与应用进行了介绍。

近年来，有关石墨烯的研究快速增多，使得石墨烯成为近十几年来的热门材料之一。除了具有极佳的力学和电学性能，石墨烯还具有非常高的热导率，使得人们对于石墨烯在电子器件热管理方面的应用有很大的期待。然而，单层或少层石墨烯的尺寸太小，很难直接作为散热材料被应用。而石墨烯作为导热填料来制备聚合物导热复合材料，很有可能替代当前广泛应用的氧化铝填充硅橡胶、氧化硅填充环氧树脂等导热垫片、热界面材料，在电子器件热管理方面具有重要的工程应用前景。基于此，世界上有关石墨烯填充聚合物导热复合材料方面的研究论文如雨后春笋般涌现。通过Web of Science统计发现（见下图），如果以聚合物、复合材料和热导率为相应关键字进行检索（灰色柱），国际上发表的文章数从2008年的三百多篇增长到2021年的近两千篇。如果以石墨烯、聚合物、复合材料和热导率作为搜索关键词（斜纹柱），发表的文章数从2008年的几乎零篇增长到2020年的617篇（2021年略有降低）。也就是说，石墨烯填充聚合物导热复合材料的论文占聚合物导热复合材料的比例从0.66%上升到37.30%。这表明石墨烯填充聚合物导热复合材料研究的发展非常迅速，对其热学性能的研究逐渐成为研究的一个重要分支。 北京大学多功能复合材料实验室从2010年开始涉足石墨烯填充聚合物导热复合材料的研究，重点关注此类复合材料的热学性能，从分散石墨烯片、取向石墨烯到三维石墨烯结构填充聚合物导热复合材料，开展了系统的研究工作，获得了一些原创性的成果，构成了本书的大部分内容。此外，为了使本书内容更加丰富和全面，书中也加入了其他学者的一些研究成果。 北京大学多功能复合材料实验室的师生参与了本书的撰写工作，他们是任柳丞（第1章和第4章）、方浩明（第2章和第10章）、赵云红（第3章和第10章）、任艳娟（第5章）、吕瑞聪（第6章）、牛红雨（第7章）、张晓（第8章）、张亚飞和韩东（第9章）、郭海长（第11章）、康磊（第12章），白树林对全书进行了润色和校对。 本书的研究工作得到了国家自然科学基金（NO.11272008、U1330101、11361161001、11672002、U1730103）及其他项目的资助。 由于石墨烯填充聚合物导热复合材料的研究成果非常丰富，限于本书的篇幅，不可能面面俱到，使得很多优秀的研究成果没有被收录进来。此外，作者的水平有限，书稿中难免有疏漏和不妥之处，恳请各位读者批评指正。同时，希望这样一本有关石墨烯填充聚合物导热复合材料的导热性能的著作能够对从事该领域的学者、研究生及相关的企业人士有所帮助，这将使我们感受到一丝欣慰。

目 录 第1章 石墨烯及其填充聚合物导热复合材料的导热机理 1 1.1 引言 1 1.2 石墨烯的结构及基本性能 1 1.2.1 石墨烯的结构 1 1.2.2 石墨烯的基本性能 1 1.3 石墨烯的导热机理 2 1.4 聚合物及其复合材料的导热机理 4 1.4.1 聚合物的导热机理 4 1.4.2 聚合物复合材料的导热机理 5 1.5 预测聚合物基导热复合材料热导率的数学模型 7 1.5.1 串联和并联模型 7 1.5.2 Maxwell-Garnett模型和Bruggeman模型 8 1.5.3 Bruggeman模型 9 1.5.4 Hamilton-Crosser模型 10 1.5.5 Every模型 11 1.5.6 Tsao模型和Cheng-Vachon模型 12 1.5.7 Zhou模型 13 1.5.8 Spinger-Tsai模型 14 1.5.9 Rayleigh模型 15 1.5.10 Agari模型 16 1.5.11 Halpin-Tsai模型和Nielsen-Lewis模型 17 1.5.12 Hatta模型 17 1.6 本章小结 19 参考文献 19 第2章 石墨烯及其填充树脂基复合材料制备技术 24 2.1 引言 24 2.2 石墨烯的制备方法 24 2.2.1 自下而上的方法 24 2.2.2 自上而下的方法 32 2.2.3 氧化还原法 32 2.2.4 液相剥离法 33 2.2.5 等离子法 33 2.3 石墨烯表面修饰 38 2.3.1 共价修饰 38 2.3.2 非共价修饰 43 2.4 二维石墨烯填充聚合物复合材料的制备方法 47 2.4.1 溶液混合法 47 2.4.2 熔融共混法 48 2.4.3 原位聚合法 49 2.5 三维石墨烯结构填充聚合物复合材料的制备方法 50 2.5.1 化学气相沉积法 50 2.5.2 多孔聚合物的碳化法 51 2.5.3 冷冻干燥法 52 2.5.4 石墨烯气凝胶法 58 2.5.5 核壳结构 60 2.5.6 高取向石墨烯 61 2.6 本章小结 64 参考文献 65 第3章 石墨烯填充聚合物复合材料热导率的测试方法 74 3.1 引言 74 3.2 稳态法 75 3.2.1 保护热板法 75 3.2.2 比较法 76 3.2.3 热流计法 77 3.2.4 径向热流法 78 3.3 非稳态测量方法 79 3.3.1 激光闪射法 79 3.3.2 3ω法 80 3.3.3 热线法 81 3.3.4 瞬态平面热源法 81 3.4 石墨烯本征热导率的测量方法 82 3.4.1 显微拉曼法 82 3.4.2 热桥法 84 3.4.3 脉冲光热反射系数法 85 3.4.4 焦耳热法 86 3.5 本章小结 87 参考文献 87 第4章 石墨烯膜的制备与性能 91 4.1 引言 91 4.2 石墨烯膜的制备 91 4.2.1 氧化石墨烯还原法 92 4.2.2 膨胀石墨压延法 106 4.2.3 化学气相沉积法 107 4.2.4 聚合物薄膜碳化-石墨化法 109 4.3 石墨烯膜的热导率 111 4.3.1 石墨烯膜的面内热导率 112 4.3.2 石墨烯膜的面外热导率 113 4.4 氟化石墨烯膜 116 4.5 前景展望 117 4.6 本章小结 118 参考文献 118 第5章 分散石墨烯填充热塑性复合材料 125 5.1 引言 125 5.2 石墨烯填充热塑性复合材料的制备工艺 126 5.2.1 熔融共混法 126 5.2.2 溶液共混法 127 5.2.3 原位聚合法 127 5.2.4 其他方法 127 5.3 影响填充型复合材料热导率的因素 127 5.3.1 填充量对热导率的影响 127 5.3.2 填料形状对热导率的影响 128 5.3.3 填料尺寸和长径比对热导率的影响 128 5.3.4 石墨烯与基体之间的界面影响 129 5.3.5 加工工艺对热导率的影响 129 5.4 石墨烯填充热塑性聚合物的导热性能 130 5.4.1 分散石墨烯填充热塑性复合材料 130 5.4.2 制备工艺对热塑性复合材料导热性能的影响 132 5.4.3 石墨烯表面修饰对复合材料的热导率的影响 139 5.4.4 石墨烯与其他填料混杂填充 144 5.4.5 石墨烯基导热绝缘复合材料的制备 149 5.5 本章小结 152 参考文献 153 第6章 石墨烯填充热固性树脂基复合材料 159 6.1 引言 159 6.2 石墨烯填充热固性树脂基复合材料常见的制备工艺 161 6.2.1 溶液共混法 162 6.2.2 三维石墨烯骨架法 163 6.3 石墨烯的表面修饰 164 6.3.1 非共价表面修饰 165 6.3.2 共价表面修饰 167 6.4 石墨烯表面包覆沉积处理 172 6.4.1 氧化物包覆层 172 6.4.2 聚合物包覆层 175 6.4.3 其他包覆模式 177 6.5 混杂粒子填充 177 6.6 本章小结 183 参考文献 183 第7章 分散石墨烯填充弹性体复合材料 189 7.1 引言 189 7.2 弹性体 190 7.2.1 弹性体的特性 190 7.2.2 弹性体的本征热导率 190 7.2.3 导热弹性体的热阻 191 7.3 加工方法对热导率的影响 192 7.3.1 熔融共混法 192 7.3.2 溶液混合法 195 7.3.3 乳液法 196 7.3.4 原位聚合法 198 7.3.5 其他制备方法 199 7.4 石墨烯表面修饰对热导率的影响 204 7.4.1 非共价表面修饰 204 7.4.2 共价表面修饰 206 7.5 石墨烯微球填充弹性体 210 7.6 石墨烯杂化填料填充弹性体复合材料 211 7.7 本章小结 217 参考文献 217 第8章 石墨烯填充含能材料 223 8.1 引言 223 8.2 石墨烯直接填充含能材料 224 8.3 功能化修饰石墨烯填充含能材料 230 8.4 石墨烯与其他粒子混杂填充 233 8.5 石墨烯包覆炸药粒子填充含能材料 242 8.6 三维结构石墨烯填充含能材料 247 8.6.1 石墨烯定向结构填充 247 8.6.2 石墨烯泡沫结构填充 251 8.7 本章小结 253 参考文献 253 第9章 高取向石墨烯填充聚合物基复合材料 257 9.1 引言 257 9.2 网状石墨烯填充聚合物复合材料 258 9.2.1 石墨烯纤维 258 9.2.2 石墨烯织物 261 9.3 高取向石墨烯填充聚合物复合材料 267 9.3.1 面内高取向石墨烯填充聚合物复合材料 267 9.3.2 面外高取向石墨烯填充聚合物复合材料 275 9.4 超高热导率复合材料 284 9.5 本章小结 292 参考文献 293 第10章 三维结构石墨烯填充树脂基复合材料 298 10.1 引言 298 10.2 采用化学气相沉积法制备石墨烯泡沫填充复合材料 298 10.3 采用高分子聚合物热裂解法制备石墨烯泡沫填充复合材料 306 10.4 冰模板法制备石墨烯泡沫填充复合材料 309 10.4.1 单向冷冻 309 10.4.2 双向冷冻 311 10.4.3 径向冷冻 311 10.5 气凝胶法制备石墨烯泡沫填充复合材料 313 10.6 石墨烯泡沫与其他碳系材料填充复合材料 316 10.6.1 石墨烯泡沫与零维碳系材料填充复合材料 316 10.6.2 石墨烯泡沫与一维碳系材料填充复合材料 318 10.6.3 石墨烯泡沫与二维碳系材料填充复合材料 321 10.7 石墨烯泡沫与氮化硼填充复合材料 324 10.8 本章小结 328 参考文献 328 第11章 3D打印石墨烯填充聚合物复合材料 337 11.1 引言 337 11.2 3D打印技术简介 337 11.3 FDM式3D打印石墨烯复合材料 339 11.4 DIW式3D打印石墨烯复合材料 345 11.5 激光式3D打印石墨烯复合材料 351 11.6 3D打印热管理中的流动设计 354 11.7 本章小结 361 参考文献 362 第12章 对石墨烯填充导热聚合物复合材料的散热效果的评价与应用 367 12.1 引言 367 12.2 散热效果的模拟实验 367 12.2.1 电热台法 367 12.2.2 模拟仿真法 380 12.3 应用简介 393 12.3.1 封装材料 394 12.3.2 基板材料 397 12.3.3 热界面材料 399 12.3.4 涂层材料 403 12.3.5 相变材料 404 12.4 本章小结 408 参考文献 409