熱管理前沿科學:高各向異性導熱和導電的柔性石墨烯複合材料
2021-01-16 熱管理材料信息來源：高分子科學前沿
近日中科院化學所馬永梅研究員、鄭鯤博士研究團隊以「Flexible Graphene Nanocomposites with Simultaneous Highly Anisotropic Thermal and Electrical Conductivities Prepared by Engineered Graphene with Flat Morphology」為題，在《ACS Nano》發表研究成果。研究團隊以平整形態的石墨烯為功能填料，採用層層刮塗法（LBL scraping method）製備了石墨烯@萘磺酸鹽（NS）/聚乙烯醇（GN/PVA）柔性納米複合材料，NS充當連接石墨烯（π-π相互作用）和PVA（氫鍵）鍵橋的作用，得到的薄膜中石墨烯具有高度有序的層次結構和平整的形貌，該結構不僅在面內建立了良好的導電和導熱網絡，而且有效地阻斷了面外方向的導電和導熱路徑，從而實現了複合材料集高各向異性導熱和導電性能於一體的高性能化，同時複合材料顯示出高的柔韌性和拉伸強度（由40 MPa提高到110 MPa）。
隨著高功率、高集成度電子器件以及智能穿戴設備等的快速發展，越來越趨於小型化、輕量化、高效化，對電子器件的功率密度及高效熱管理系統的要求越來越高，在工作過程中產生大量的熱如不及時排除，將會嚴重影響到電子器部件的工作穩定性和安全可靠性。
為滿足特定的技術要求，在很多應用場合需要具備高度各向異性的高導熱和導電柔性材料，高導熱性作為散熱器件可以大幅度降低器件內部或表面溫度，進而高效、經濟地利用熱量，同時各向異性導電性可消除特定方向上的靜電，為安全提供保障。目前，開發高各向異性的導熱和導電柔性聚合物材料是一個具有挑戰性和有意義的研究課題。
製備過程
石墨烯結構及形貌：（a-c）石墨烯SEM、AFM和薄膜照片；（d）納米複合材料橫截面SEM；（d1-d2）S、C元素EDS；（e）G帶強度與角度θ的關係；（f）面內方向TEM；（g）拉曼光譜
文章中採用微米級石墨烯，結構分析證明了石墨烯平整形態結構及在PVA基體中的良好分散，展現出高柔韌性，沒有過多的缺陷和褶皺結構。複合材料的斷面形貌可以看到石墨烯緊密堆積的高度有序的層次結構，在平行和垂直方向上呈各向異性；並且GN/PVA納米複合材料具有高取向結構。
（a）GN/PVA納米複合材料的各向異性導熱性能；（b）各向異性導電性能；（c）導熱導電性能與文獻對比情況；（d）導熱導電機理；（e）力學性能
納米複合材料薄膜中石墨烯具有高度有序的層次結構和平整的形貌，從而減少了缺陷，最小化聲子散射，且面內取向結構可減少面外石墨烯之間的接觸，增加界面熱阻，因此該結構不僅在面內建立了良好的導電和導熱網絡，而且有效地阻斷了面外方向的導電和導熱路徑，製備的GN/PVA納米複合材料表現出高各向異性導熱和導電性能。10.0 wt%-GN/PVA納米複合材料的面內和面外熱導率分別達到13.8和0.6 W/mK，面內和面外電導率分別為10-1和10-10 S/cm。此外，GN和PVA之間的取向結構和良好的界面粘附性，使納米複合材料薄膜的柔韌性和拉伸強度得到提高，從純PVA的40 MPa到5.0 wt%-GN/PVA的110 MPa。紅外熱成像顯示，10.0wt%-GN/PVA複合材料的中心溫度較5.0wt%-GN/PVA複合材料低，複合材料具有優異的散熱性能，且遠低於純PVA。
原文連結：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c04456
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