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  石墨烯具有高導(dǎo)熱和輕質(zhì)特性，基于石墨烯的傳熱材料，如石墨烯薄膜、三維石墨烯泡沫等，引起了研究者們越來越多的研究興趣。研究人員將相變材料（PCM）填充到三維石墨烯泡沫中，利用三維石墨烯泡沫的優(yōu)異三維傳熱能力，獲得具有較好導(dǎo)熱性和高儲(chǔ)熱能力的復(fù)合材料。但是，這種復(fù)合材料僅利用了三維石墨烯泡沫骨架的傳熱性能，傳熱模式單一，無法最大化石墨烯的導(dǎo)熱性能優(yōu)勢。如何實(shí)現(xiàn)多尺度石墨烯結(jié)構(gòu)的有效結(jié)合，充分發(fā)揮石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，對進(jìn)一步提升石墨烯復(fù)合材料的綜合應(yīng)用水平具有重要意義。

  鑒于此，近日，國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院張鑒煒副研究員團(tuán)隊(duì)利用重力輔助浸漬工藝（如圖2a），利用材料體系中的毛細(xì)力、表面張力與重力的平衡，實(shí)現(xiàn)了二維石墨烯薄膜（GP）與三維石墨烯泡沫/硬脂酸復(fù)合材料（GFSAC）的低熱阻連接。有別于傳統(tǒng)GFSAC，GP與GFSAC連接后，可以有效地將GP的快速面內(nèi)導(dǎo)熱能力與GFSAC的三維導(dǎo)熱能力結(jié)合，使得熱量能夠更快地在復(fù)合材料中傳遞發(fā)散（如圖1c和d對比）。制備得到的GP/GFSAC/GP復(fù)合材料在石墨烯含量僅為0.53 wt%的條件下，厚度方向熱導(dǎo)率達(dá)到了1.72 Wm^-1K^-1，蓄熱系數(shù)達(dá)到了18.45 Jcm^-3/2m^-1/2s^-1/2K^-1/2。相關(guān)工作以“Phase change material filled hybrid 2D / 3D graphene structure with ultra-high thermal effusivity for effective thermal management”為題發(fā)表在Carbon（DOI: 10.1016/j.carbon.2020.12.046）上。

圖1. 蓄熱系數(shù)性能對比

圖2. GP/GFSAC/GP復(fù)合材料制備原理及導(dǎo)熱性能測試

  該工作開發(fā)的重力輔助浸漬工藝，極大地降低了GP與GFSAC之間的熱阻，并且GP/GFSAC/GP復(fù)合材料具備更加豐富的導(dǎo)熱機(jī)制，賦予了材料良好的導(dǎo)熱與儲(chǔ)熱性能。另外，由于石墨烯本身穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，GP/GFSAC/GP復(fù)合材料具備良好的熱穩(wěn)定性能，在多次重復(fù)使用后，性能不會(huì)發(fā)生明顯衰減。

圖3. GP/GFSAC/GP復(fù)合材料熱穩(wěn)定性能測試

  利用點(diǎn)熱源對不同樣品進(jìn)行加熱，結(jié)果顯示GP/GFSAC/GP復(fù)合材料結(jié)構(gòu)擁有最小的溫度差，以及最均勻的溫度分布，表明GP/GFSAC/GP復(fù)合材料具備良好的傳熱與儲(chǔ)熱性能。

圖4. GP/GFSAC/GP復(fù)合材料熱管理性能展示

  論文的第一作者為國防科技大學(xué)大學(xué)博士生梁耕源，通訊作者為國防科技大學(xué)張鑒煒副研究員，研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（51803236）的資助與支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.12.046

  下載：Phase change material filled hybrid 2D / 3D graphene structure with ultra-high thermal effusivity for effective thermal management