01

隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子器件的熱管理問題日益凸顯，通過開發(fā)先進(jìn)的導(dǎo)熱材料來解決熱能管理問題已成為電子產(chǎn)業(yè)可持續(xù)和穩(wěn)定發(fā)展的必要條件。石墨烯基導(dǎo)熱復(fù)合材料近年來得到了廣泛關(guān)注。特別是三維石墨烯框架，通過調(diào)節(jié)使其形成高度有序的排列結(jié)構(gòu)，可以有效地提高熱導(dǎo)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(jié)合處的結(jié)點(diǎn)熱阻會(huì)導(dǎo)致石墨烯基復(fù)合材料整體的熱阻較高，因此目前報(bào)導(dǎo)的定向排列石墨烯框架/聚合物復(fù)合材料的TCE大多低于1,500%。因此，進(jìn)一步優(yōu)化界面，降低定向排列石墨烯框架內(nèi)相鄰石墨烯片之間的結(jié)點(diǎn)熱阻，是進(jìn)一步提高石墨烯基聚合物復(fù)合材料導(dǎo)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(jié)構(gòu)調(diào)控過程的雙組裝策略，來構(gòu)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(nèi)部的相鄰石墨烯片之間緊密接觸，結(jié)點(diǎn)熱阻較低。因此，該石墨烯框架與聚合物的復(fù)合材料表現(xiàn)出了出色的導(dǎo)熱性增強(qiáng)效果。石墨烯框架與環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料擁有62.4 W m?1 K?1（≈ 13.3 vol%）的縱向熱導(dǎo)率，比純環(huán)氧樹脂高325倍，使其具有超過2,400%的超高TCE。這一工作為設(shè)計(jì)高性能導(dǎo)熱復(fù)合材料提供了有益指導(dǎo)，并提高了其在熱管理中實(shí)際應(yīng)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(fā)表于Advanced Science。

圖1 (a)石墨烯框架的制備流程和(b)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化。(c–e)多孔PU膜，(f–h)石墨烯/PU,(i–k)石墨烯框架的光學(xué)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(diào)節(jié)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(guān)系。

圖3 (a–b)石墨烯/環(huán)氧復(fù)合材料的制備流程。(c)石墨烯的體積分?jǐn)?shù)與石墨烯框架密度的關(guān)系。(d)復(fù)合材料橫/縱向的熱導(dǎo)率。(e)不同拉伸率下制備的復(fù)合材料的斷面SEM圖像。復(fù)合材料和金屬錫的(f)導(dǎo)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(fù)合材料的TCE與以往文獻(xiàn)對(duì)比。(b)利用金屬泡沫理論擬合實(shí)驗(yàn)熱導(dǎo)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(yīng)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(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，為了更大限度地利用石墨烯超高的面內(nèi)熱導(dǎo)率，改用壓力誘導(dǎo)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(dá)到510 mg cm?3。石墨烯框架和環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料中，石墨烯的最高含量為24.7 vol %，其熱導(dǎo)率沿優(yōu)選方向達(dá)到117 W m?1 k?1，比純環(huán)氧樹脂高約616倍，顯示出作為冷卻設(shè)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(fā)表于ACS Nano。

圖5 (a)壓力使石墨烯/聚合物復(fù)合框架形成高度取向結(jié)構(gòu)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(jì)算石墨烯與PU之間范德華力的(f)仿真模型及(g, h)結(jié)果。計(jì)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(jié)果。

圖6 (a)石墨烯框架/環(huán)氧復(fù)合材料的制備流程。(b)石墨烯框架密度和相應(yīng)體積分?jǐn)?shù)與壓縮比的關(guān)系。(c)復(fù)合材料的斷面SEM圖像和(d)橫/縱向的熱導(dǎo)率。石墨烯框架/環(huán)氧和分散石墨烯/環(huán)氧的(e)仿真模型和(f)瞬態(tài)溫度分布以及實(shí)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(shí)驗(yàn)熱導(dǎo)率。(b)復(fù)合材料取向參數(shù)與石墨烯含量的關(guān)系。(c)復(fù)合材料 （24.7 vol %）頂面和橫截面的XRD圖。(d)復(fù)合材料的傳熱機(jī)理。(e)本文復(fù)合材料的TCE與以往文獻(xiàn)對(duì)比。

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

相關(guān)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