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绝缘层改性材料技术在RS电缆散热中的应用
在RS电缆绝缘层中加入热界面改性材料是提高其散热性能的有效方法之一。减少绝缘层的热阻率,有效提高RS电缆内部铜芯的散热效率[8]。最典型的RS电缆绝缘层包括乙丙橡胶、交联聚乙烯和热塑性弹性体等[9,10],因为它不易被腐蚀,具有保护作用的同时还具有良好的弹性[11]。但是其导热性能很差,可加入热导填充物以提高其热导率[12,13]。包括碳化硅、氮化硼和各种碳的同素异形体常被用作热导填料加入绝缘层中[14,15,16,17,18]。但是为了达到热界面材料所需要的热导率,填料的体积比往往需要高达60%,但是这会导致所得到的复合绝缘层材料密度过大并且机械性能差[19,20,21]。
石墨烯具有所有已知材料中最高的热导率。为了将石墨烯的超高热导率服务于热界面材料,研究人员开展了很多工作。SHAHIL等[15]构造了石墨烯和碳纳米管共同修饰的高分子环氧树脂,得到了高热导率的复合热界面材料。其中石墨烯含量为50%,碳纳米管的含量为0.36%。BONNET等[16]报道了石墨烯和碳纳米管共同改性的橡胶纳米流体和纳米复合物,也获得了热导率很高的复合物。在该报道中绝缘层材料的热导率增强幅度可以达到%,但是石墨烯的载入量依然太高[15,16,17]。而且在加入石墨烯的同时还需要加入一定量的碳纳米管以便将石墨烯纳米片相互连接,但是碳纳米管的制备十分困难需要耗费大量的时间和昂贵的催化剂。因此应优化所采用的石墨烯的厚度,尺寸及含量,由传热机理出发优化石墨烯基复合绝缘材料的各项性能。
要实现石墨烯类功能填料对RS电缆中绝缘材料的成功改性,需要实现如下几点:
1)石墨烯片不仅需要均匀分布,而且不能形成完整的输运网络。
石墨烯除了具有良好的导热性能之外,还具有优越的导电性。所以改性的同时不能改变绝缘层的介电性能。应避免当石墨烯的含量超过某一阈值后,其可充当电子快速输运的完备通道,影响绝缘层的介电性能。如图7所示,图7(a)中,石墨烯片在绝缘基材中形成连续结构,可以有效提高导热率,但是同时也带来绝缘性能下降的风险;图7(b)中,由于石墨烯片未能形成连续结构,虽然保证了绝缘性能,但是导热率提高有限。
图7石墨烯片在绝缘基材中的不同结构
图7石墨烯片在绝缘基材中的不同结构下载原图
Fig.7Differentstructuresofgraphenesheetininsulatingsubstrate
2)石墨烯片表面的官能团含量应该实现优化。
石墨烯表面官能团的存在能使石墨烯片和橡胶或塑料等绝缘材料的声子模式更加匹配,有利于声子在石墨烯和基材界面之间的输运,从而提高基材的热导率。石墨烯表面官能团保留量的优化需要进一步的研究,例如采用不同还原程度的石墨烯作为填料,通过测试分析和相关计算获得石墨烯表面官能团的保留量及石墨烯片的厚度,同时测定一系列石墨烯基复合材料的热导率。实现石墨烯还原程度以及厚度的优化,最大限度提高绝缘材料的散热性能。
3)在高温条件下保证石墨烯改性RS电缆绝缘层的高散热性能。
图8石墨烯基复合热界面材料热导率随温度升高变化曲线
图8石墨烯基复合热界面材料热导率随温度升高变化曲线下载原图
Fig.8Thermalconductivitycurveofgraphenebased
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