中科院煤化所陳成猛團隊CEJ：碳化硅晶須的形核效應及其在導熱和電子絕緣中的潛在應用

背景介紹

隨著5G網絡時代的到來，大功率、小型化移動電子設備得到迅速發展，如平板電腦、手機等硬件設備。相應地，這導致了電子設備的功耗增加及熱量的迅速積累。為了保證電子設備的壽命和可靠性，考慮電子設備的散熱問題是非常有必要的。

碳化硅晶須與石墨烯材料的復合被認為是一種可有效提升高分子材料導熱性能的潛力材料之一。目前結果表明石墨烯與碳化硅晶須之間形成的C-Si鍵極大地促進了聲子的傳輸。然而，哪種類型的石墨烯能夠形成連接點并提高聲子的傳輸，這一點尚不清楚。也就是說，碳化硅晶須在石墨烯上的可能成核機制需要進一步剖析。

成果簡介

近日，中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛研究員及張壽春研究員（共同通訊作者）等人以還原氧化石墨烯和稻殼灰為原料，通過堆積床法合成了碳化硅晶須/還原氧化石墨烯（SiCw@rGO），其中碳化硅晶須通過碳化硅晶核（C-Si共價鍵）橋接在還原氧化石墨烯片層上。實驗和理論計算結果顯示，還原氧化石墨烯的含氧缺陷（C-O基團）為碳化硅成核提供了有利的位點，并提升了碳化硅晶須的產量。還原氧化石墨烯中的特定缺陷（單空位缺陷、含氧基團）誘導其周圍碳原子形成的孤對電子是形成C-Si共價鍵的關鍵因素。由于SiCw@rGO中構建的蓬松結構和縮短的聲子傳輸路徑，碳化硅晶須@還原氧化石墨烯/環氧樹脂（SiCw@rGO/EP）表現出良好的導熱性質。本文的研究為在碳化硅晶須和還原氧化石墨烯片之間建立可控的聲子傳輸通道提供了新的見解。研究成果以題目““SiC whiskers nucleated on rGO and its potential role in thermal?conductivity and electronic insulation”發布在國際著名期刊Chemical Engineering Journal上。

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130181

圖文解讀

圖一、還原氧化石墨烯生長晶須前后的形貌變化

a) rGO的SEM圖

b-d) SiCw@rGO的SEM和HRTEM圖

圖二、rGO和SiCw@rGO的結構特征

a) XRD圖；

b) 拉曼圖譜；

c) ID/IG及La的變化；

d) 紫外-可見吸收光譜；

e) 紅外光譜；

f) rGO和SiCw@rGO的C1s擬合精細掃描圖譜；

g) 基于C1s XPS峰面積占比，C-C和C-O含量的變化；

h) rGO和rGO-3000的XPS光譜;

i) 由rGO和rGO-3000制備的SiCw的重量差異；

圖三、SiO在給定石墨烯構型上吸附的熱力學有利位置

圖四、碳化硅在缺陷構型石墨烯上發生形核后的電子結構分析

a-b)?rGO-SV-SiO和rGO-O6-SiO的電子局域函數分布及等直面圖；

c-d) rGO-SV和(d) rGO-O6吸附SiO前后的PDOS圖；

e-g)?rGO-DV、rGO-SV及rGO-O6的自旋密度圖（等值面水平為0.03）；?

圖五、SiO分子在缺陷構型石墨烯構型上的吸附能及吉布斯自由擴散能

(a) 0 K下SiO分子在給定石墨烯上的吸附能（Eab）；

(b) 1673 K下SiO分子在給定構型表面擴散的吉布斯自由能（G(T)）；?

圖六、SiCw@rGO復合環氧樹脂后的導熱性及電絕緣性

a) 熱導率圖；

b) 電導率圖；

c) 復合材料在升溫及冷卻階段的紅外圖像；

d-e)?樣品的升溫及冷卻速率變化（速率=(Xt-X0)/t）；

圖七、SiCw@rGO復合環氧樹脂后作為散熱材料

a) 實驗裝置和測試過程以分析臺式計算機系統的耗散特性；

b) CPU溫度變化與運行時間的關系；

c) 純EP和SiCw@rGO/EP的紅外圖像；

作者簡介:

陳成猛，博士，研究員，中科院山西煤化所709課題組長，中科院炭材料重點實驗室副主任，中科院石墨烯工程實驗室副主任。兼任科院青促會會員、中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟理事、IEC/TC113和SAC/TC279標委會專家等職務。主要從事儲能炭材料與器件研究工作，主持項目20余項，發表論文120余篇，授權專利28項，出版英文專著1部，主持制定國際和國家標準8項。榮獲山西省自然科學一等獎、中國產學研合作創新成果一等獎、中國化工學會技術發明獎二等獎、侯德榜化工科技青年獎、中科院北京分院“啟明星”優秀人才等榮譽。2017年入選《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創新35人”，2019年獲國家自然科學優秀青年基金資助。

課題組網站：http://709.sxicc.ac.cn

課題組公眾號：Carmery-CAS

張壽春，博士，中科院山西煤炭化學研究所碳纖維制備技術國家工程實驗室研究員，課題組長。研究領域主要為：高性能纖維；熱塑性復合材料；結構-功能一體化復合材料。榮獲2018年山西省學術技術帶頭人、2016年中科院青年創新促進會優秀會員、2011年盧嘉錫青年人才獎、2009年中科院杰出科技成就獎。主持中科院重點部署項目、國家自然科學基金、國防創新基金、中科院青年創新促進會人才培育項目、企業合作項目等。

本文由中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛研究團隊供稿。