哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
近年来，电子技术飞跃式的进展对材料的导热性能和电磁干扰屏蔽性能提出
了更严格的要求。微型电子器件的散热问题更是成为了制约其发展的决定性因素
之一。如何在有限的空间内将上述属性集成到一个材料中，并保持其优异的性能，
成为了各国学者研究的热点之一。自石墨烯被发现以来，关于它的研究报道屡见
不鲜，由多层石墨烯堆叠而成的石墨膜继承了石墨烯卓越的导热、导电与力学性
能，已经成为便携式电子设备热管理、电磁屏蔽等领域备受青睐的材料之一。目
前大多数关于石墨基散热和电磁屏蔽材料的研究都集中在聚酰亚胺热解石墨膜或
还原氧化石墨烯堆叠组装而成的高取向石墨膜，这两类石墨膜均具有较高的热导
率和良好的导电及电磁屏蔽性能。但是，无论是高聚合度的聚酰亚胺膜还是高质
量氧化石墨烯的生产成本都比较昂贵，而且生产过程对环境污染较为严重。因此，
采用绿色、低成本的原料开发具有优异导热及高效电磁屏蔽性能的大面积石墨膜
具有重要的实际应用价值。
本课题采用绿色可再生的葡萄糖为原料，引入聚丙烯酰胺凝胶体系抑制葡萄
糖的不可控发泡，采用流延法成功制备了葡萄糖水凝胶膜，水凝胶膜经预碳化、
碳化、石墨化三道工序，最终成功制备了葡萄糖水凝胶衍生的各向异性层状堆叠
石墨膜。分析结果表明，葡萄糖水凝胶衍生的石墨膜具有最高达92.1%的石墨化
度，石墨片层（002）晶面的平均层间距为0.338nm。
系统地研究了葡萄糖水凝胶石墨膜的微观结构形成与转变机制。结果表明，
葡萄糖水凝胶在400℃前发生了复杂的热聚合反应，聚丙烯酰胺凝胶体系将葡萄
糖分子牢牢地固定在凝胶网格中进行热聚合反应，避免了焦糖产物中缺陷的生成，
获得了致密的焦糖结构。400℃之后聚丙烯酰胺凝胶网络中的焦糖产物逐渐脱去
结构中的氧元素和氢元素，发生无机化转变，演变成为紧密堆叠碳微晶结构，并
在外力的作用下逐步转变成为水平排列的碳微晶堆叠结构，在后续的石墨化过程
中水平排列的碳微晶逐步转变成为石墨微晶并沿着水平方向融合长大，最终形成
层厚为18.66nm的石墨片层，多层石墨片层沿着平面方向堆叠成为石墨膜。
研究发现，水凝胶前驱体溶液的组分配比对石墨膜的微观结构存在着密切的
关联性。当前驱体溶液中葡萄糖浓度低于70wt.%时，石墨膜中的微观缺陷较多，
石墨化进程受阻，同时葡萄糖水凝胶中羧甲基纤维素钠（CMC）的引入能有效地
提升石墨膜的厚度均匀性，但当其添加量高于葡萄糖质量的3wt.‰时，便会阻碍
薄膜的石墨化。因此本文认为70wt.%的葡萄糖浓度和3wt.‰的CMC添加量是合
适的水凝胶前驱体配比。此外，本文考察了石墨膜厚度对薄膜微观结构的影响情
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况，结果表明，当石墨膜厚度大于10μm后，随着薄膜厚度的增加的石墨膜的微
观结构逐渐由各向异性的石墨片层堆积结构转变成为各向同性的石墨微晶堆叠结
构，这是由于膜厚较大时外力难以限制前驱体薄膜热处理过程中的平面收缩。
最后，对葡萄糖水凝胶衍生的石墨膜进行了力学、电磁屏蔽和导热性能测试，
以探索其在电子器件热管理及电磁屏蔽领域等应用的可能性。结果表明，2800℃
热处理后的石墨膜具有高达149.9MPa的拉伸强度和42.1GPa的弹性模量。石墨膜
在X波段和Ku波段都展现出高于30dB的电磁屏蔽性能，高于商业应用的标准
（20dB）。此外，石墨膜还具有230W/(m·K)的面内热导率与5.9W/(m·K)的面间热
导率，各向异性导热性能十分明显，面内热导率与常用金属散热材料接近。综上，
葡萄糖水凝胶衍生的石墨膜具有优异的力学性能和电磁屏蔽性能，具有在电子元
器件电磁屏蔽及热管理领域应用的潜力，同时导热性能还具有较大的提升空间。
因此，本文制备的石墨膜具有重要的科学意义和广阔的应用前景。
关键词：葡萄糖；水凝胶；流延；石墨膜；散热；电磁屏蔽
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