国防科技大学张鉴炜副研究员《Carbon》：在石墨烯基相变复合材料的热管理性能方面取得进展

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石墨烯具有高导热和轻质特性，基于石墨烯的传热材料，如石墨烯薄膜、三维石墨烯泡沫等，引起了研究者们越来越多的研究兴趣。研究人员将相变材料（PCM）填充到三维石墨烯泡沫中，利用三维石墨烯泡沫的优异三维传热能力，获得具有较好导热性和高储热能力的复合材料。但是，这种复合材料仅利用了三维石墨烯泡沫骨架的传热性能，传热模式单一，无法最大化石墨烯的导热性能优势。如何实现多尺度石墨烯结构的有效结合，充分发挥石墨烯优异的导热性能，对进一步提升石墨烯复合材料的综合应用水平具有重要意义。

鉴于此，近日，国防科技大学空天科学学院张鉴炜副研究员团队利用重力辅助浸渍工艺（如图2a），利用材料体系中的毛细力、表面张力与重力的平衡，实现了二维石墨烯薄膜（GP）与三维石墨烯泡沫/硬脂酸复合材料（GFSAC）的低热阻连接。有别于传统GFSAC，GP与GFSAC连接后，可以有效地将GP的快速面内导热能力与GFSAC的三维导热能力结合，使得热量能够更快地在复合材料中传递发散（如图1c和d对比）。制备得到的GP/GFSAC/GP复合材料在石墨烯含量仅为0.53 wt%的条件下，厚度方向热导率达到了1.72 Wm^-1K^-1，蓄热系数达到了18.45 Jcm^-3/2m^-1/2s^-1/2K^-1/2。相关工作以“Phase change material filled hybrid 2D / 3D graphene structure with ultra-high thermal effusivity for effective thermal management”为题发表在Carbon（DOI: 10.1016/j.carbon.2020.12.046）上。

图1. 蓄热系数性能对比

图2. GP/GFSAC/GP复合材料制备原理及导热性能测试

该工作开发的重力辅助浸渍工艺，极大地降低了GP与GFSAC之间的热阻，并且GP/GFSAC/GP复合材料具备更加丰富的导热机制，赋予了材料良好的导热与储热性能。另外，由于石墨烯本身稳定的化学性质，GP/GFSAC/GP复合材料具备良好的热稳定性能，在多次重复使用后，性能不会发生明显衰减。

图3. GP/GFSAC/GP复合材料热稳定性能测试

利用点热源对不同样品进行加热，结果显示GP/GFSAC/GP复合材料结构拥有最小的温度差，以及最均匀的温度分布，表明GP/GFSAC/GP复合材料具备良好的传热与储热性能。

图4. GP/GFSAC/GP复合材料热管理性能展示

论文的第一作者为国防科技大学大学博士生梁耕源，通讯作者为国防科技大学张鉴炜副研究员，研究工作得到了国家自然科学基金（51803236）的资助与支持。

原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.12.046

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