01

隨著微電子技術的快速發展，電子器件的熱管理問題日益凸顯，通過開發先進的導熱材料來解決熱能管理問題已成為電子產業可持續和穩定發展的必要條件。石墨烯基導熱復合材料近年來得到了廣泛關注。特別是三維石墨烯框架，通過調節使其形成高度有序的排列結構，可以有效地提高熱導率。然而，受限于定向排列石墨烯框架的制備工藝，相鄰石墨烯片之間只能形成松散的接觸，石墨烯片之間的重疊面積較低。微觀結合處的結點熱阻會導致石墨烯基復合材料整體的熱阻較高，因此目前報導的定向排列石墨烯框架/聚合物復合材料的TCE大多低于1,500%。因此，進一步優化界面，降低定向排列石墨烯框架內相鄰石墨烯片之間的結點熱阻，是進一步提高石墨烯基聚合物復合材料導熱性能的迫切需求。

為了解決上述問題，中科院寧波材料所代文博士、林正得研究員、江南研究員（共同通訊作者）等人提出了一種多尺度結構調控過程的雙組裝策略，來構建各向異性的石墨烯框架。該石墨烯框架不僅具有沿垂直方向的高度定向排列，而且其內部的相鄰石墨烯片之間緊密接觸，結點熱阻較低。因此，該石墨烯框架與聚合物的復合材料表現出了出色的導熱性增強效果。石墨烯框架與環氧樹脂的復合材料擁有62.4 W m?1 K?1（≈ 13.3 vol%）的縱向熱導率，比純環氧樹脂高325倍，使其具有超過2,400%的超高TCE。這一工作為設計高性能導熱復合材料提供了有益指導，并提高了其在熱管理中實際應用的可能性。上述成果以題為“Multiscale Structural Modulation of Anisotropic Graphene Framework for Polymer Composites Achieving Highly Efficient Thermal Energy Management”發表于Advanced Science。

圖1 (a)石墨烯框架的制備流程和(b)相應的結構變化。(c–e)多孔PU膜，(f–h)石墨烯/PU,(i–k)石墨烯框架的光學和SEM圖像。

圖2 (a)未拉伸和(b)拉伸的多孔PU膜的照片和SEM圖像。使用未拉伸和拉伸PU多孔膜制備的石墨烯框架的(c, f)原理圖、照片、(d, g)俯視的圖和(e, h)斷面SEM圖像。(i)拉伸調節石墨烯框架高度有序排列的示意圖。(j)石墨烯框架密度和拉伸比的關系。

圖3 (a–b)石墨烯/環氧復合材料的制備流程。(c)石墨烯的體積分數與石墨烯框架密度的關系。(d)復合材料橫/縱向的熱導率。(e)不同拉伸率下制備的復合材料的斷面SEM圖像。復合材料和金屬錫的(f)導熱測試裝置示意圖、(g)溫度變化曲線、(h)紅外熱成像圖。

圖4  (a)本文制備復合材料的TCE與以往文獻對比。(b)利用金屬泡沫理論擬合實驗熱導率。石墨烯框架在拉伸下重排的(c, d)形貌、(e, f)示意圖和相應的(g, h)熱流模擬。

02

近日，代文博士、林正得研究員、江南研究員（共同通訊作者）再次提出了制備高定向排列石墨烯框架的新策略。該策略在之前工作的基礎上進行了改進，為了更大限度地利用石墨烯超高的面內熱導率，改用壓力誘導取向，制備出更高密度且高度定向排列的石墨烯框架，密度最高達到510 mg cm?3。石墨烯框架和環氧樹脂的復合材料中，石墨烯的最高含量為24.7 vol %，其熱導率沿優選方向達到117 W m?1 k?1，比純環氧樹脂高約616倍，顯示出作為冷卻設備的聚合物基散熱板的良好潛力。上述成果以題為“Tailoring Highly Ordered Graphene Framework in Epoxy for High-Performance Polymer-Based Heat Dissipation Plates”發表于ACS Nano。

圖5 (a)壓力使石墨烯/聚合物復合框架形成高度取向結構示意圖。(b)未壓縮石墨烯/PU框架和(c)壓縮制備的石墨烯框架的SEM圖像。(d)未壓縮石墨烯/三聚氰胺框架和(e)壓縮制備的石墨烯框架的SEM圖像。計算石墨烯與PU之間范德華力的(f)仿真模型及(g, h)結果。計算石墨烯與三聚氰胺之間范德華力的(i)仿真模型及(j, k)結果。

圖6 (a)石墨烯框架/環氧復合材料的制備流程。(b)石墨烯框架密度和相應體積分數與壓縮比的關系。(c)復合材料的斷面SEM圖像和(d)橫/縱向的熱導率。石墨烯框架/環氧和分散石墨烯/環氧的(e)仿真模型和(f)瞬態溫度分布以及實際傳熱測試(g)示意圖、(h)溫度變化曲線和(i)紅外熱像圖。

圖7 (a)利用金屬泡沫理論擬合實驗熱導率。(b)復合材料取向參數與石墨烯含量的關系。(c)復合材料 （24.7 vol %）頂面和橫截面的XRD圖。(d)復合材料的傳熱機理。(e)本文復合材料的TCE與以往文獻對比。

圖8 復合材料作為散熱板的實際工況(a)示意圖、(b)熱流路徑和(c)實物圖，并用商用的氧化鋁散熱板做對比。(d)溫度隨時間的變化曲線和(e)穩態溫度與功率密度的函數。基于有限元分析的(f, g)氧化鋁和(h, i)復合材料的模擬溫度分布。

相關鏈接

Advanced Science, 2021, 8, 2003734. https://doi.org/10.1002/advs.202003734

ACS Nano, 2021, just accepted. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01332