上海交通大學(xué)、香港城市大學(xué)、西南交通大學(xué)及悉尼大學(xué)的多位學(xué)者，系統(tǒng)介紹了石墨烯的熱導(dǎo)率及其影響因素，石墨烯/聚合物復(fù)合材料的熱導(dǎo)率及其影響因素和研究進(jìn)展，指出了石墨烯/聚合物導(dǎo)熱復(fù)合材料目前尚待解決的問題、新的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展機(jī)遇。綜述內(nèi)容以“Thermal conductivity of graphene-based polymer nanocomposites”為題，發(fā)表在材料科學(xué)與工程著名期刊《Materials Science & Engineering R: Reports》 上。
石墨烯由sp2雜化碳原子組成，非常高的聲子群速度和高度簡(jiǎn)諧晶格，導(dǎo)致其具有極高的熱導(dǎo)率，被認(rèn)為是聚合物熱導(dǎo)率增強(qiáng)的最佳填料。
目前增強(qiáng)石墨烯/聚合物復(fù)合材料的熱導(dǎo)率存在幾個(gè)問題：
一、石墨烯僅在結(jié)構(gòu)完美的情況下才具有超高導(dǎo)熱率，邊緣、缺陷、褶皺、襯底、摻雜和修飾的存在都會(huì)使本征導(dǎo)熱率急劇下降；
二、石墨烯難以分散在聚合物基體中并形成的特定空間結(jié)構(gòu)；
三、石墨烯和聚合物基體之間存在較大的界面熱阻。
影響石墨烯/聚合物復(fù)合材料熱導(dǎo)率和增強(qiáng)導(dǎo)熱率制備的影響因素及其應(yīng)用前景
對(duì)于石墨烯/高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料，優(yōu)異的高熱導(dǎo)率和高長(zhǎng)徑比是其兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，然而事物具有兩面性，優(yōu)勢(shì)的背后依然存在一些問題：
一、石墨烯熱導(dǎo)率對(duì)許多因素非常敏感。缺陷、摻雜、同位素、褶皺、折疊、修飾，與基體的相互作用等都會(huì)導(dǎo)致石墨烯的熱導(dǎo)率顯著降低。表面修飾能提高石墨烯與聚合物基體的親和性但會(huì)導(dǎo)致石墨烯的熱導(dǎo)率降低。因此，提升石墨烯與基體之間的親和性和保持石墨烯的熱導(dǎo)率之間的矛盾是研究者關(guān)注的重點(diǎn)。
二、高長(zhǎng)徑比條件下，石墨烯/聚合物熔體或石墨烯/聚合物的溶液具有高粘度，復(fù)合材料制備變得非常困難。
三、目前沒有方法能夠有效控制石墨烯與聚合物基體間界面熱阻、石墨烯與石墨烯片間的接觸熱阻的方法。
四、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一些納米管和薄層石墨片具有比GO和RGO更完美的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱增強(qiáng)性能更好。石墨烯在高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料中的優(yōu)勢(shì)尚未得到很好證明。
五、石墨烯具有很高的導(dǎo)電性，能顯著提高聚合物復(fù)合材料的電導(dǎo)率。在石墨烯上涂覆一層無機(jī)納米粒子或絕緣聚合物等可使復(fù)合材料具有一定的電絕緣性，但一方面復(fù)合材料的熱導(dǎo)率受額外的界面熱阻和接觸熱阻的影響，另一方面石墨烯的高導(dǎo)電性使其聚合物復(fù)合材料無法承受高電壓。
石墨烯/聚合物復(fù)合材料若要獲得理想的熱導(dǎo)率，需解決以下問題：
一、大規(guī)模制造具有完美晶格的高質(zhì)量石墨烯。目前量產(chǎn)石墨烯實(shí)際熱導(dǎo)率可能低至只有幾十W/m·K。
二、在石墨烯/聚合物復(fù)合材料的實(shí)際生產(chǎn)中，表面改性改善了加工性，但會(huì)降低石墨烯的本征熱導(dǎo)率；大尺寸的石墨烯具有高的導(dǎo)熱增強(qiáng)效率，但加工、分散困難。
三、利用預(yù)制的三維石墨烯導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的高導(dǎo)熱是一種很有效的途徑，但界面熱阻和接觸熱阻還需深入研究。
四、石墨烯與不同導(dǎo)熱填料的協(xié)同效應(yīng)，可以克服石墨烯形成層狀結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)，改善其分散性，提高石墨烯的導(dǎo)熱增強(qiáng)效果。
五、石墨烯具有各向異性的熱導(dǎo)率，面內(nèi)熱導(dǎo)率比面外熱導(dǎo)率高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。利用施加電場(chǎng)/磁場(chǎng)、靜電紡絲、機(jī)械應(yīng)變、注塑、滾塑、自組裝、冰模板、過濾和溶液澆鑄等方法，可以設(shè)計(jì)和制備具有高面內(nèi)熱導(dǎo)率或高厚度方向熱導(dǎo)率的石墨烯/聚合物復(fù)合材料。
六、石墨烯及其復(fù)合材料宏觀和微觀熱導(dǎo)率測(cè)量和表征技術(shù)仍需要深入研究，還要研究材料在服役前/服役過程中的熱導(dǎo)率變化。
七、獲得石墨烯復(fù)合材料高熱導(dǎo)率的同時(shí)，保持低介電常數(shù)是非常有價(jià)值的。但石墨烯復(fù)合材料通常具有高介電常數(shù)，在未來通信技術(shù)中的應(yīng)用嚴(yán)格受限。
原文鏈接：doi.org/10.1016/j.mser.2020.100577
信息來源：Materials Science & Engineering R: Reports，介電高分子材料
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